卫星通信、深空探测离不开大型抛物柱面天线，但传统天线像“大块头”——双层桁架结构重量大、折叠后体积超标，难以塞进火箭整流罩。近日，我国西安电子科技大学李团结教授团队在《Frontiers in Mechanical Engineering》发表研究，受折纸艺术启发，研发出单层可展开桁架天线，折叠体积缩小11倍，重量比传统天线轻15%，解决了“大天线装不进小火箭”的航天难题。

传统天线的“烦恼”：又重又占地方

抛物柱面天线因独特的曲面结构，能实现自动波束扫描和多频段通信，是航天器的“千里眼顺风耳”。但随着天线口径增大（比如从5米到10米），传统双层桁架结构“短板”凸显：它像“双层书架”，由上下两层桁架和中间连接件组成，重量大（10米级天线超200公斤），折叠后体积仍达展开状态的1/10，远超火箭运载能力上限。

“就像给大象穿小鞋，传统结构根本满足不了大口径天线的发射需求。”团队解释，航天器对天线的“展收比”（展开后与折叠时的尺寸比）、面密度（单位面积重量）要求严苛，比如展收比需大于10，面密度要低于1 kg/m²，传统设计很难兼顾。

折纸启发的“变形魔法”：单层桁架如何“瘦身”？

团队从折纸艺术中找灵感：一张纸能通过折痕变形，那卫星天线的桁架能不能像折纸一样，用单层结构实现折叠展开？关键是将折纸模型“翻译”成工程结构——把折痕等效为定长连杆，顶点当作可转动的铰链，就像用吸管和活页夹搭出可折叠的框架。

但工程化没那么简单。团队总结出三大“设计秘诀”：

• 运动解耦：让天线在横向（曲面弧度方向）和纵向（长度方向）的运动互不干扰，就像抽屉和柜门各自开关，避免“卡壳”。
• 随动防转：在垂直纸面方向加一层辅助连杆，组成平行四边形机构，防止铰链随连杆转动，解决“折歪了”的问题。
• 交替布置：连杆在铰链前后交替排列，折叠时能像折扇一样交错重叠，展收比提升至11.27（传统双层结构约10）。

8米原型机验证：重量轻15%，展开时间差小于0.2秒

基于这套方法，团队造出8米×8米的抛物柱面天线原型机。它的“骨架”是碳纤维管桁架，反射面用金属网，总重56.6公斤，面密度0.88 kg/m²，比传统双层桁架天线轻15%；折叠后直径仅0.71米，能轻松塞进火箭整流罩。

为确保天线在太空顺利展开，团队还优化了驱动部件：横向用螺旋弹簧提供扭矩，纵向用薄壳铰链（类似卷尺弹簧）驱动，通过MATLAB和Abaqus联合仿真，让两个方向的展开时间差控制在0.2秒内（横向1.64秒，纵向1.65秒），避免线缆缠绕。

原型机测试显示，天线展开后曲面精度误差小于2毫米，基频（结构刚度指标）1.38 Hz，远超同类天线（传统铰链肋天线约0.13 Hz），能抵抗太空极端温差和振动。

未来可用于深空探测：让“太空千里眼”看得更远

这项研究首次将折纸启发的单层桁架结构应用于抛物柱面天线，为大型空间天线设计提供新思路。团队表示，下一步计划优化材料和驱动系统，目标是将面密度降至0.5 kg/m²以下，展收比提升至15，满足30米级超大口径天线的需求。

“未来，这种天线可能用于载人登月、火星探测的大型通信中继卫星，甚至是太空望远镜的主反射面。”专家评价，它就像“可变形的太空折纸”，让航天器在有限的运载空间里，装上更大的“千里眼”，看得更远、传得更清晰。

来源: FME机械工程前沿