返回舱天线设计技术-航天器天线工程设计技术

1.返回舱天线的设计特点

由于载人航天工程的特殊性，对天线本身的各项性能指标要求极为苛刻。除对天线的电气性能要求高外，天线布局、结构尺寸、自身重量、密封、防热及抗烧蚀、空间力学试验环境、天线之间的电磁兼容性等要求也是极高的，并且要求无论是着陆在戈壁沙漠上还是溅落在海上，返回舱天线都能够可靠地工作。

返回舱天线在设计上具有如下特点。

（1）返回舱上各频段、各类型的天线数量多

返回舱天线共包含有S频段TT&C天线、BD-GPS全球定位卫星接收天线、VHF超短波通信、信标系统天线和HF短波通信、信标系统天线等。馈电网络复杂，天线形式多样。整个天线系统在飞行试验中要完成发射段、在轨运行段、交会对接段、返回再入段和着陆段等不同阶段的特定工作。天线系统的正常工作是飞船圆满完成飞行试验任务的必要保证。需要强调的一点是，如何保证如此繁多的天线在有限的返回舱上工作时互不影响也是很关键的。

（2）天线自身和安装面的双重密封

返回舱天线均安装在飞船密封舱表面，除了跟密封舱壁连接处需要密封外，还要保证天线自身密封。天线自身密封设计也很复杂，要统筹考虑天线的机械接口、电气性能、防热性能、力学性能等方面。

（3）天线平装、小型化、防热、抗烧蚀、波束宽

返回舱上天线数量多，但安装空间有限，因此天线小型化设计工作就特别突出，为此天线系统在方案设计上采取了许多有效的措施。安装在返回舱侧壁上的平装天线，要防热抗烧蚀，该天线因采取机、电、热一体化最佳设计，不仅使天线电尺寸减小，而且使天线的抗热性能比以前同类天线提高200℃。返回舱天线由于方案设计的优化，实现了测控总体要求的宽波束和准全向覆盖。同时，在系统设计中实现了天线在各种工作状态下发射与接收功率的最佳分配，并使能量的损耗降至最低。

（4）返回舱防热层表面涂覆导电涂层消除防热层对天线电性能的影响

返回舱S频段TT&C天线和BD-GPS全球定位卫星接收天线设计时必须考虑返回舱防热介质层的影响。当电磁波照射到防热介质层时，表面波就会产生，表面波将引起天线辐射方向图畸变、极化扭转、阻抗失配等。返回舱的防热介质层为蜂窝结构，表面不光滑，难以实现金属薄膜与防热介质层的完全贴合，为此必须采用在天线周围喷涂导电涂层的方案以达到消除表面波的影响。导电涂层喷覆在防热介质层上面、热控涂层下面。导电涂层与防热介质层、热控涂层相容，粘接牢固。

（5）采用双层微带天线形式

该天线与返回舱舱门共体，具有占用空间小、重量轻、多频点工作等优点。

（6）返回舱着陆后，在舱体状态不确定情况下，天线能正常工作

飞船返回后，无论是着陆戈壁沙地，还是溅落大海，船载信标天线和BDGPS全球定位卫星接收天线都需要可靠地工作，以确保宇航员的生命安全。

2.返回舱天线的种类

（1）S频段TT&C天线

返回舱S频段TT&C天线是在飞船总装、综合测试、主动发射段、在轨运行段、返回再入段等情况下使用的统一S频段测控体制天线。该天线在飞船运行的发射段、在轨运行段和返回再入段均需要工作。抛整流罩前，通过整流罩上的透波口使天线工作；在抛罩后和返回再入段，天线应具有准全向波束覆盖。根据上述使用要求，仅靠1副天线是不能满足要求的。通过理论分析以及试验验证，确定接收和发射各由2副天线组成，以保证满足使用要求。

返回舱S频段TT&C天线工作过程是：在飞船发射段和返回再入段、交会对接段，发射和接收各需要2副天线同时工作，这时，通过指令，使2副发射天线和2副接收天线均与收发信机接通，使4副天线同时工作。在轨运行段，当发射和接收各需要1副天线工作时，通过指令，仅使1副发射天线和1副接收天线与收发信机接通，使发射和接收各1副天线工作。

返回舱S频段TT&C天线由于其本身的特殊用途，因此在设计上有以下特点：

首先，按照飞船统一S频段测控体制的规定，天线的工作频率为S频段，分为上行、下行两个频段，上下行频率相干并采用固定转发比。上行天线为左旋圆极化、下行天线为右旋圆极化。天线电气性能指标主要包括电压驻波比、极化方式、方向图、增益和收发隔离度等。

其次，返回舱S频段TT&C天线安装在飞船返回舱表面，安装空间有限，必须采用小型化设计方案。天线设计时要考虑整个工作环境要求。飞船是由火箭运载的，因此天线应能适应运载火箭起飞、飞行和船箭分离时的各种环境，应能经受舱段分离和返回舱再入以及着陆的冲击等。当飞船返回时，返回舱以很高的速度飞行，气动加热可能使天线表面温度高达上千度。为了有效减少气动加热，天线设计时应尽量避免引起飞船表面的不连续性。由于高温，将降低天线金属材料的强度和刚度，介质材料的介电常数εr变大，损耗正切tanδ也变大，导致天线性能变坏，因此，设计天线时应选用结构强度高的金属材料，选用低损耗、εr热稳定的介质材料。由于再入时的气动加热，要求天线尽可能不凸起于飞船防热层表面，同时天线表面要进行防热抗烧蚀处理。另外，天线设计时也要考虑等离子体对天线的影响，其实现方式是尽可能拓宽天线的电压驻波比带宽。在设计天线和馈电系统时还应考虑电击穿问题，设计时应尽可能选用tanδ小的介质材料。

最后，由于飞船的载人特点，安装在返回舱上的天线，在满足结构强度、电气性能基础上，还要保证在耐烧蚀的基础上隔热保温并密封，即要防止舱外的上千度高温通过天线传入返回舱内，确保宇航员的生命安全，同时天线本体需要结构密封，确保真空状态下，返回舱内的空气不外泄。由于载人要求，天线在选材和设计时要满足防火、无毒、无异味、无挥发能耐湿热交变或恒定湿热等载人环境要求，能够满足空间电子环境使用要求。

综合各方面因素考虑，神舟飞船返回舱S频段TT&C天线单元采用了平装嵌入式十字腔体圆极化天线设计方案，主要技术指标如表11-12所示。天线单机照片如图11-63所示。装船后的天线照片如图11-64所示。

表11-12　返回舱S频段TT&C天线主要技术指标

图11-63　返回舱S频段TT&C天线单机照片

图11-64　装船后的返回舱S频段TT&C和BD-GPS天线照片

整船方向图测试在紧缩场进行，如图11-65所示。返回舱质心为坐标原点O，沿轨道舱方向为Ox轴，S频段TT&C天线与质心O连线为Oz轴。典型方向图测试结果如图11-66所示。

（2）BD-GPS天线

BD-GPS天线用来接收北斗卫星和全球定位卫星所发出的信号，以确定飞行器的坐标参数。按要求，BD-GPS天线在飞船飞行的全过程都要发挥作用，尤其是在轨道运行段需精确测轨，故在设计该天线时要满足以下要求：(www.xing528.com)

图11-65　紧缩场内，S频段TT&C天线测试状态照片

图11-66　S频段TT&C天线典型方向图测试结果

1）发射/返回段，天线系统在其视区内，在一定时间内，能捕捉到4颗以上的导航卫星。

2）在轨运行段，飞船上的BD-GPS天线需要且仅需要覆盖上半空间。

3）飞船着陆后，不论船体姿态如何，BD-GPS天线能够收到来自导航卫星系统的信号，确保定位信息。

4）天线密封耐烧蚀，重返大气层后仍能正常工作。

为兼顾各种工作状态，BD-GPS天线系统由2副天线组成，但自始至终处于工作状态的只有1副天线。

BD-GPS天线的工作过程是：在发射段、在轨运行段、返回再入段直至着陆前，通过指令，接通位于飞船上Ⅲ象限附近的天线并使之工作。着陆后，通过指令，由重力开关控制2副天线，使其中相对于水平面较高的1副天线工作。

BD-GPS天线与返回舱S频段TT&C天线相比，除了电气性能要求不同外，其余技术指标要求均相同，同样要求工作在-60℃～+1 400℃等，因此二者具有相同的设计难点，同时由于BD-GPS天线工作频率低，但横向安装尺寸与S频段TT&C天线相同，因而安装空间相对狭小；该天线在保证电性能设计的基础上，还要考虑设计上的进一步小型化，这极大地增加了天线研制的难度。采用腔体内填充介质等方法，能够圆满解决天线设计上的小型化问题。

（3）VHF超短波通信、信标天线

VHF天线是超短波通信、着陆搜索信标及国际救援等系统使用的天线，它在返回舱再入大气层之后开始使用。

在返回舱穿过黑障后开始工作的超短波通信、着陆搜索信标天线采用与返回舱舱门共体的双层微带天线形式，即返回舱舱门天线。该天线的特点是：多频点工作，与同类天线相比，工作环境温度高。作为舱门，除了天线功能外，还具有隔热保温作用。

之所以采用双层微带天线形式是因为普通的微带天线带宽都比较窄，无法满足3个频点同时工作的需要。采用双层微带，下层对应的工作频率较低，除作为辐射单元外，还充当上层微带的接地板，调整上层微带的外形，使之产生寄生的分布电容和电感，从而使这一片微带谐振在2个频点上，以达到3个频点同时工作的目的。

返回舱舱门天线的双层金属微带贴片，选用特定厚度的不锈钢薄板冲压成型，上、下层介质基片选用由石英增强树脂基复合材料制成蒙皮的特种泡沫夹层结构。通过试验验证和飞行结果表明，返回舱舱门天线性能优良，天线外形如图11-67所示。

为使VHF信标天线在飞船着陆后无论姿态如何均能正常工作，在飞船侧壁相大底安装了3副弹射振子天线，该3副天线与返回舱舱门天线两两组阵，在飞船着陆后，由重力开关判定分别选择两组阵中相对于地平面较高的1副工作。

图11-67　返回舱舱门天线

安装在飞船侧壁和大底的VHF信标天线为可压缩的弹射振子天线。该天线波长较长，因此天线的纵向尺寸较大，而安装空间极为窄小。天线不工作时，要压缩在舱体内，着陆后弹出工作。天线周围电磁环境复杂。经过分析以及大量的试验验证工作，在不影响其他分系统的情况下，研制出了利用扇形接地板和增加顶负载的、既能满足电性能指标又能满足总装要求的多节可压缩的弹射天线。该天线圆满解决了超细长弹簧的设计问题和天线小型化问题。VHF弹射振子天线设计的另一个突出特点是，采用柔韧性材料设计制造了可压缩式天线透波罩，成功解决了飞船溅落海上后该信标天线的正常工作问题。

VHF超短波通信、信标天线随返回舱参加了低海况综合漂浮试验。根据国际救援卫星的数据接收资料，在整个试验过程中，只要有卫星经过试验区域上空，就能收到VHF超短波通信、信标天线发射的载波信息，在过境卫星测量几何较好的情况下，定位偏差在1 km范围内。在搜救船的海上拉距试验过程中，VHF超短波通信、信标天线一直工作状态良好；整个试验过程中，搜救直升机均能顺利地接收VHF超短波通信、信标天线发射的载波定位信息。在上述试验中，多次人为地往天线上浇海水，或是用交通艇拖着返回舱在海上跑，天线随着返回舱一会儿浸没海中，一会儿露出海面，在这两种状态下，VHF超短波通信、信标天线均工作正常。

（4）HF短波通信与信标天线

HF短波通信、信标天线采用3副天线组成系统。2副为自解锁式弹簧伸展天线，1副为伞绳天线。

HF自解锁式弹簧伸展天线的工作波长为15 m。若采用λ/4单极子，天线尺寸约为3.75 m，由于天线在神舟飞船发射时和返回前均需压缩在天线舱内，着陆后才解锁展开，而且提供的整个天线安装空间只有φ0.18 m×0.12 m，安装空间极为有限，因此天线在结构设计上均存在比较大的困难。在充分的试验验证和理论分析基础上，确定采用法向模螺旋天线方案，也就是采用天线直径与工作波长相比小于0.18的螺旋天线技术，该方案极大地缩短了天线的轴向尺寸，匹配容易。为了使天线能自主展开，螺旋线应具有一定的弹性，同时不会因自身重量而下坠变形，螺旋中部应有支撑杆。我们选取不同粗细、两端有一定锥度的一组玻璃钢空芯套筒，这组空芯套筒可以逐节套在一起。天线未展开时，套筒由细到粗，由内到外套在一起；天线展开时，套筒被螺旋线逐节拉出，相邻套筒互相咬合，形成一个根粗头细、有一定锥度的长杆，对螺旋线起到支撑作用。为了控制天线的展开，天线还有锁定/解锁装置。未展开时，天线由锁定装置锁定，螺旋线压紧在天线筒内。天线需要展开时，解锁装置解锁，天线自动展开，这就很好地解决了天线的压缩和解锁问题。着陆后，HF伸展天线展开后的工作状态如图11-68所示。

伞绳天线为λ/4单极子天线，与降落伞垂挂吊索共体，在飞船返回舱返回段降落伞展开时使用。

HF天线系统的工作程序是：着陆前，伞绳天线随减速伞一起被拉出，收发信机开始工作。着陆后，返回舱内和大底的HF伸展天线分别展开，由重力开关选择相对地平面较高的1副天线工作。

（5）移动通信天线

返回舱上单独配置了微带形式的全球移动卫星通信天线（图11-69），确保返回舱着陆后，宇航员可在舱内拨打和接听卫星电话。

图11-68　飞船返回舱着陆后，解锁展开后的HF伸展天线

图11-69　飞船返回舱着陆后，解锁展开后的VHF天线及移动通信天线