明日情报@国外空间薄膜天线发展与应用近况
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导读
2019年3月28日 ， 无线电频率降低风险部署演示（R3D2）卫星搭乘美国火箭实验室电子号火箭顺利发射并成功入轨 。 本次发射不仅实践了美国军方快速响应、快速部署、低成本的航天理念 ， 还进行了新型可展开薄膜反射阵天线的空间验证 。 2019年5月 ， 负责R3D2卫星项目的美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布该天线部署成功并将进行为期6个月的校准 。 以R3D2卫星天线采用的聚酰亚胺为代表的材料具备良好的机械性能、耐热性和耐辐射性等 ， 应用在空间反射面天线上能够充分发挥其面密度低、体积小、便携可展、易于控制和成本低廉的特点 ， 有望促进星载薄膜天线的发展与应用 。
随着航天技术的不断进步 ， 航天器承担的任务越来越多 ， 航天结构朝着大型化、轻质化、复杂化的方向发展 。 薄膜结构作为一种新兴航天结构 ， 其具有面积大、质量轻、易于收展等优点 ， 在航天任务中具有广阔的应用前景 。 薄膜结构是一类以薄膜为有效载荷载体 ， 通过充气或张拉成形的航天结构形式 。 薄膜结构可通过折叠或卷曲方式收拢 ， 在轨可自主展开 。 目前 ， 薄膜结构在航天任务中主要有薄膜天线结构、薄膜太阳翼结构、薄膜太阳帆结构等三方面应用 。
天线是航天器对地观测或通信的关键载荷 。 为了提高天线性能 ， 需要不断提高其面积 。 采用传统设计方法设计的大面积天线 ， 其重量、体积以及机械复杂程度将非常大 ， 难以落实到工程实现 。 为此 ， 人们提出薄膜天线的概念 。 薄膜天线通过将电路和电子元器件印刷或嵌入在薄膜上 ， 通过收藏和支撑机构实现结构的收拢和展开 ， 这样可使得结构重量和体积大大减小 。 薄膜天线结构作为一种新兴结构 ， 目前大多尚处于理论和地面实验验证阶段 。 薄膜天线结构通常设计为平面式天线结构 ， 少部分设计成抛物面式天线结构 。 其中 ， 抛物面式薄膜天线包括充气、充气刚化、弹性肋驱动、形状记忆聚合物（SMP）充气和静电成型等五种展开和部署方法 ， 采用聚酯膜和聚酰亚胺膜等材料；平面式薄膜天线从圆形框架逐渐变为矩形框架 ， 并采用单层、双层、多层和三浦秀里（Miura–Natori）张紧系统 。
美国喷气推进实验室（JPL）与美国ILCDover公司和L’Garde公司研制的薄膜式天线试验件 ， 其展开尺寸10m×3m ， 采用充气硬化杆为边框 。
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JPL薄膜天线试验件
德国航空航天中心（DLR）研制了P波段薄膜天线 ， 其展开尺寸12m×3m ， 由复合材料豆荚杆作为支撑边框 。
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DLR薄膜天线
加拿大航天局（CSA）研制了合成孔径雷达（SAR）薄膜天线 ， 其采用Kapton薄膜结构 ， 总尺寸3.1m×3.1m ， 有效尺寸1.1m×1.1m 。
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CSA合成孔径雷达（SAR）薄膜天线
下面简要介绍一下国外近年正在发展的星载可展开薄膜天线现状 。
一、R3D2卫星天线
1.卫星简介
无线电频率降低风险部署演示（RadioFrequencyRiskReductionDeploymentDemonstration ， R3D2）卫星是美国国防高级研究计划局（DARPA）提出并主导的卫星项目 ， 已于2019年3月28日顺利发射并成功入轨 ， 旨在进行新型薄膜反射阵天线的空间验证 。 2019年5月 ， 该天线部署成功并计划进行为期6个月的校准 。
R3D2卫星重150kg ， 成本为2500万美元 。 诺斯罗普·格鲁曼公司总体承包了该卫星项目并负责集成卫星 ， MMADesign公司设计并制造了天线 ， 三叉戟系统公司设计了R3D2的软件无线电（SDR） ， 蓝色峡谷技术公司提供了卫星总线 。
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