天线系统是卫星的关键组成部分，担负着卫星与地面沟通的重要使命。在各类卫星需求爆发式增长的今天，卫星天线的技术水平直接决定了卫星的服务能力。

　　日前，中国建材总院所属西安轻工业钟表研究所有限公司（以下简称“钟表所”）自主研发的“多转轴共轭运动装置”以创新性的无源驱动方案，打破了以往卫星天线空间展开的难题，让卫星天线得以大“展”身手。

　　天线展开“不用电”

　　出于不同的功能和设计考虑，卫星天线形状多样。其中，传统的圆环形天线形状规整，可以像折叠伞一样被高效折叠收纳，藏进航天器寸土寸金的载荷舱内。但同样由于其形状限制，圆环形天线展开后的有效利用面积相对较低，一定程度上限制了卫星的通信能力。

　　为了能够在“好收纳”的同时，保证天线展开后的有效面积足够大，提升卫星通信能力，我国研发人员研制出了多种非圆构型天线。这种天线在航天器载荷舱内收拢后，会变为十分规整的圆形状态，可以最大限度节约空间。而当航天器到达预定位置后，该天线能够展开成椭圆、多边形等特殊构型，显著增强卫星的通信容量和指向精度。

　　虽然非圆构型天线设计巧妙，但要实现从收拢到展开的“丝滑变形”绝非易事，其中最关键的是展开驱动装置的设计。

　　由于空间环境限制、结构设计和共轭运动需求，天线从收拢到展开的驱动装置设计面临多重瓶颈。传统的电机驱动方案在太空极端环境下面临严峻挑战。太空中零下65摄氏度至150摄氏度的剧烈温度变化，会使电机中的润滑油凝固或蒸发。而电机长期面临空间高能粒子辐射，也可能导致电路失效。此外，发射、入轨、展开等一系列活动中的机械冲击还可能造成齿轮卡死。更重要的是，非圆构型的展开需要多个“关节”进行复合运动，每个关节若都配置电机，复杂的电机阵列不仅增加系统重量，还可能导致“一点失效、满盘皆输”。

　　能否在不应用大量电机情况下，让天线自主完成变形展开？瞄准这个目标，钟表所研发团队将目光投向了纯机械结构的创新方案。“就像过去人们戴的机械手表，没有电池和电机，同样可以高精度运转。”该成果技术负责人屈二渊说，凭借多年来在钟表计时领域的技术积淀，研发团队创新提出多转轴共轭运动的设计理念，并以此为基础，设计出无源缓速驱动装置，驱动天线展开。

　　无源，意味着不需要任何电力驱动，大大降低装置故障率，保证了天线展开的可靠性。缓速，则是指整个展开过程匀速、缓慢，显著降低对装置的冲击力，进一步增强可靠性。

　　数字样机寻找最优解

　　屈二渊介绍，整个展开驱动装置由三组核心模块构成。一是储能驱动模块，它是整个装置的动力源，负责提供动力，驱动装置运行。团队凭借多年对弹性材料性能的研究，设计了形式多样的弹簧储能系统，在地面时给模块蓄满能量，等到进入预定位置后，触发机关，释放能量，驱动装置运行。

　　第二组模块是共轭传动机构，团队设计出独特的空间曲面凸轮组，可将直线运动转化为空间三维复合运动。“我们受到了赛车场弯道设计的启发。为了让赛车过弯更快更安全，赛车场的弯道路面并不是完全的水平平面，而是有一定曲面弧度，这样赛车过弯时不需要大角度转动方向，也可以‘丝滑’转弯。”屈二渊介绍，借助同样的原理，空间曲面凸轮设计可以让滚轮在运动爬坡时，随着曲面轨迹变化，自动实现水平方向转换，将直线运动转化为一系列复杂的空间三维复合运动，并且保证整个过程精准流畅。

　　最后一个关键模块则是缓释控制系统。其设计灵感来源于机械钟表中的擒纵机构。擒纵机构的工作原理是借助一系列复杂的齿轮机构，将不规律的动力转化为规律的动力输出，从而实现对运动部件的准确控制。借鉴擒纵机构原理，缓释控制系统通过非线性阻尼控制实现了对展开速度的精准把控，让展开过程平稳、可靠。

　　精密的纯机械结构方案给设计环节带来巨大挑战。屈二渊告诉记者，研发过程中，最棘手的挑战是如何协调上百组不同规格的凸轮机构协同工作。这一过程中，传统的建模方法已不再适用。

　　为此，研发团队创新性地引入了运动仿真曲面建模技术，借助仿真模拟软件，构建出了一个包含数十万个网格节点的数字样机。“借助这个虚拟的样机，我们只要输入不同的运动参数，就可以实现对空间曲面的高效建模优化。”屈二渊说，通过在数字样机上不断试验、反复迭代，团队最终找到了协调上百个凸轮协同工作的“最优解”。

　　从精密钟表到浩瀚星空，钟表所科研团队创造性地将精密计时器研发经验融入航天领域，推动我国空间技术水平不断提升。