综述：用于太空应用的可部署网状反射天线：基于实证的架构、部署与锁定机制、形状控制及验证方法综述

《Acta Astronautica》：Deployable mesh reflector antennas for space applications: An evidence-aware review of architectures, deployment and locking mechanisms, shape control, and validation

　　摘要：本综述基于现有证据，系统总结了用于空间应用的可展开网状反射天线的技术现状，重点探讨了其结构设计、展开与锁定机制、轻质材料应用、自适应驱动技术、形状控制策略、验证方法以及未来发展需求。由于在严格的发射质量与存储限制条件下仍能实现高增益，这类天线成为大口径空间系统的关键支撑技术。通过PRISMA框架对截至2025年的相关文献进行检索后共找到269条记录，其中158项研究被纳入定性分析。现有研究表明，轻量化展开、紧凑型封装、模块化扩展能力以及自适应控制技术已取得显著进展，但表面精度、结构刚度、展开可靠性、驱动系统复杂度与孔径尺寸之间仍存在难以调和的权衡关系。由于不同研究中的子系统边界、验证环境、计量标准、不确定性表述方式、重复性测试条件及验收标准往往不一致，跨研究比较仍然十分有限——仅有44项研究提及计量不确定性，42项研究提供了至少三次展开周期的重复性测试数据。现有证据表明，当前报道的这类天线在报告机制与验证流程上存在瓶颈，尤其是10米级以上的大型天线。为便于理解这些差异较大的研究结果，本文采用MBEMA（指标-边界-环境-计量-验收）模型作为简化解读工具，而非强制性标准。总体而言，这类天线正朝着更大、更轻、功能更强的方向发展，但要实现进一步突破，还需通过更具实际环境代表性的验证手段、更清晰的计量标准，以及更为一致的重复性测试和任务相关数据报告。

引言：在严格的发射质量与存储限制条件下实现大有效孔径，可展开网状反射天线仍是核心技术。过去二十年间，其在结构设计、展开锁定机制、轻质材料应用以及自适应形状控制技术方面的快速发展，虽然拓展了设计空间，但也使得不同研究间的成果越来越难以比较[[1], [2], [3], [4]]。因此，本综述旨在系统梳理用于空间应用的这类天线的最新技术进展，涵盖其结构设计、展开锁定策略、支撑结构、材料选择、驱动系统、形状控制方法以及基于证据的验证流程，并明确如何依据现有证据解读各类性能宣称。目前文献中的主要问题并非缺乏创新，而是可比性不足——表面上看似相似的成果，往往源于不同的子系统边界、验证环境、计量基准及验收标准[[1], [2], [3], [4]]。同时，这类天线的实用化还受到多重任务约束的影响：它们必须承受发射过程中的振动声学载荷，还要在反复且极端的温度变化（通常介于-150℃至+100℃之间）、辐射环境以及微重力条件下的特殊结构应力下正常工作[5,6]。这些因素会积累导致表面形貌误差与对准偏差，进而影响其射频性能，相关研究已针对热辐射对表面精度的影响、可展开反射机构的设计以及网状反射面的变形问题展开了探讨[7]。尤其是在Ka波段和Q/V波段，亚毫米到毫米级的几何误差就会显著降低天线的增益、孔径效率、增益/噪声比以及指向稳定性[[8], [9], [10]]。因此，结构拓扑设计、材料选择、展开运动学特性以及验证策略应当作为一个整体来考虑，而非单独优化。

结构设计的创新虽然拓展了可行的设计空间，但也带来了新的集成与故障考量问题。模块化桁架结构、缆索网反射面以及桁架与缆索相结合的混合结构，在刚度、质量效率与封装体积之间各有优劣，但每种结构在公差累积、接口复杂性以及展开锁定可靠性方面也存在特定特点[11,12]。碳纤维增强聚合物、连续纤维增强热塑性塑料以及航空航天用合金依然是常见的结构材料，而形状记忆合金、形状记忆聚合物以及纳米结构涂层则因具备更好的适应性、抗辐射能力及损伤修复功能而日益受到重视[13]。与此同时，主动预应力管理技术以及自适应张紧或形状控制策略虽能提升展开后表面的精度，但也会增加驱动系统的复杂度、能耗以及验证工作量[[14], [15], [16]]。因此，技术的进一步发展不仅需要更先进的硬件，还需要在设计宣称、验证环境以及与任务相关的证据之间建立更清晰的对应关系。

全球范围内，这类天线的发展主要受任务需求驱动，包括工作频率、孔径直径、表面精度、存储体积、发射质量、展开可靠性、使用寿命，以及在接近实际任务环境的地面条件下进行验证的可行性[1,17]。尽管不同机构、研究团队提出了各自不同的反射面设计方案，但他们的研究目标大体一致，即打造质量更低、封装更紧凑、展开更可靠、且在轨道上能够保持高精度表面性能的大口径可展开反射面[1,18,19]。为避免给人以技术进步与特定机构或地区之间存在直接关联的印象，表1对相关研究进行了重新分类，不再按地域或机构归属划分，而是根据任务驱动的技术目标进行归类。该表汇总了各类研究中常见的设计考量因素、典型结构方案或演示成果、关键技术挑战以及验证重点，这种基于证据的分类方式更能体现当前这类天线的发展实际上是由共同的任务需求所引导的，而不同研究在孔径规模、结构形式、驱动策略、制造工艺以及验证深度等方面存在差异。此外还需要指出的是，由于验证环境并不统一，比如仅有理论分析的研究、1g重力条件下的地面展开测试、环境试验、射频性能测量或轨道上的实际演示，再加上质量、存储体积以及性能参数相关的测量不确定性披露不完整、子系统边界定义不一致等问题，不同研究的结果往往无法直接对比[2,[39], [40], [41]]。因此，本综述采用以任务需求为依据的比较方法，并统一了数据报告的标准，而非对不同机构、地区或具体项目进行排名。

本综述从基于证据的角度，重点探讨用于空间应用的可展开网状反射天线的相关技术。它系统总结了当前在结构设计、展开锁定机制、轻质材料应用、驱动与形状控制策略、验证方法以及面向应用的实际性能要求等方面的最新进展。同时，它明确了在何种证据条件下才能跨不同研究解读各类性能宣称，尤其当不同研究的参数是基于不同的子系统边界、验证环境、计量标准、重复性假设、不确定性披露程度以及验收标准时。表2将本综述与以往关于可展开反射天线、大型可展开空间结构以及可展开网状反射天线的综述文献进行了对比。早期的综述为这一领域奠定了多项重要基础：Meguro等人[42]总结了高精度大型网状天线反射面的关键技术，强调了表面精度、缆索网结构特性、结构精确度以及验证流程在大型可展开反射面开发中的核心作用；Puig等人[43]则研究了用于天体物理学任务的大型可展开结构，明确了与孔径尺寸、封装效率、质量限制以及任务相关性能要求相关的系统级影响因素；Santiago-Prowald和Baier[48]进一步分析了大型空间天线反射面的设计与表面技术进展，重点关注了展开可靠性、表面成型工艺以及工程验证问题。近期，Zhang等人[44]从结构设计以及静动态分析的角度对可展开结构进行了全面综述，而Khoroshylov等人[45]则研究了可展开网状反射天线的动力学建模、分析与测试方法。这些研究共同构成了理解这类天线在结构设计、力学特性、展开行为以及验证流程方面发展情况的理论基础。本综述旨在补充而非取代这些已有成果，其重点在于用于空间应用的这类天线，尤其关注其结构设计、展开锁定机制、驱动与形状控制策略，以及如何依据证据解读各类性能宣称。在分析文献时，本综述会特别关注性能宣称的定义、子系统边界、验证环境、计量基准、重复性测试情况、不确定性披露程度以及验收标准。这种基于证据的分析视角旨在明确不同研究之间的比较结果是可直接对比、有条件对比还是仅具有参考意义。为明确本综述中所使用的各种分析工具的作用，表3对基于PRISMA框架的文献检索流程、MBEMA模型以及针对特定任务或项目的验证方法进行了区分。基于PRISMA框架的检索流程有助于实现文献的透明识别、筛选与综合分析；MBEMA模型仅作为辅助工具，用于帮助理解不同研究中的性能宣称，而任务的实用化程度则仍由特定任务或项目的验证逻辑决定。在本综述中，MBEMA用于判断不同研究中的性能宣称是可直接对比、有条件对比还是仅具有参考意义。为确保全文术语的一致性，若干与证据和任务准备程度相关的术语均采用了固定的定义，详见框1。其中，本综述特别区分了“接近实际任务环境的条件”“与任务验证相关的证据”“已有飞行经验数据”以及“基于任务需求制定的要求”，以便将证据类型、证据强度与任务适用性在概念上分开处理。第4节介绍了用于对比分析的证据等级评估逻辑，第6节则讨论了面向未来发展与评估的、基于任务需求的验证模板。本综述有两个目标：其一，系统总结当前在可展开网状反射天线的结构设计、展开锁定机制、驱动系统、形状控制以及应用性能要求等方面的最新进展；其二，仅将MBEMA模型作为辅助工具，用于帮助理解不同研究中的性能宣称。需明确的是，MBEMA并非通用的报告标准，也不能替代基于任务需求的验证逻辑，它的作用仅限于明确不同研究中的性能宣称是可直接对比、有条件对比还是仅具有参考意义。第4节介绍了相应的评估逻辑，第6节则讨论了基于任务需求的验证模板。为避免术语使用出现偏差并提升全文一致性，若干与证据和任务准备程度相关的术语在整篇综述中均采用固定定义。框1中列出的定义旨在区分证据类型、证据强度与任务适用性，而非设定某种通用的验证标准。下文所使用的术语均遵循这些固定定义。其中，本综述特别区分了“接近实际任务环境的条件”“与任务验证相关的证据”“已有飞行经验数据”以及“基于任务需求制定的要求”，以便将证据类型、证据强度与任务适用性在概念上分开处理。下文所使用的术语均遵循框1中列出的固定定义。其中，本综述特别区分了“接近实际任务环境的条件”“与任务验证相关的证据”“已有飞行经验数据”以及“基于任务需求制定的要求”，以便将证据类型、证据强度与任务适用性在概念上分开处理。本文的其余部分结构如下：第2节探讨结构设计以及展开锁定机制；第3节分析驱动系统与形状控制策略；第4节从证据等级的角度对典型系统进行评估；第5节将分析结果与具体任务应用场景相对应；第6节分析现有研究的不足之处、未来发展方向以及基于任务需求的验证模板；第7节为结论部分。本综述的文献检索流程旨在让主要文章中的证据依据清晰透明、便于核查。其涵盖范围包括用于空间应用的可展开网状反射天线，涉及反射面结构、支撑结构、展开锁定机制、驱动与形状控制技术、验证与合格性测试，以及各类性能宣称及其对应的验证环境与假设条件。最初共检索到269条记录：数据库搜索发现了251条记录，其中114条来自Scopus，86条来自Web of Science Core Collection，51条来自IEEE Xplore；另外通过反向与正向引用追踪以及针对性的手动检索，又找到了18条记录，这些记录多为以往的会议论文、研讨会论文、机构研究报告以及概念研究文档，仅靠数据库搜索无法全面获取。在完成元数据标准化处理、以DOI作为首要查询依据、标题标准化处理以及对模糊记录的手动核查之后，共删除了5条重复记录，最终剩下264条独特的记录用于标题与摘要筛选。在这些记录中，又有184篇全文文章经过了资格审核，最终有158项研究被纳入定性综合分析。去重前的数据库检索结果与去重后的结果分别汇总在表S1中，这些数据与图1及表4中给出的总数量一致。筛选过程分为两个阶段（见表5）：标题与摘要筛选阶段会保留那些明确涉及可展开或可折叠反射面结构、以网状结构或基于网状结构的反射面作为主孔径，并且提供了结构性能、射频性能、展开性能或验证相关定量数据的文章；全文审查阶段则会排除那些以馈源或天线阵列为核心、与反射面无关的文章、非可展开的地面反射面装置、缺乏足够技术细节而无法提取有效信息的概念性文档，以及已被更完整或更易追溯的资料取代的重复性报告。当多篇文献涉及同一原型、同一硬件系列或同一系列逐步改进的测试项目时，会在数据提取过程中将其视为同一个硬件系列，从而避免虚增独立证据的总量。其中最完整或最易追溯的文献会被作为核心参数的主要来源，而那些能够提供独特验证信息、不确定性数据或故障分析结果的补充文献则会被保留下来。标题/摘要筛选与全文审查工作分别由一名主要审稿人完成，另一名审稿人会对结果进行独立核查。对于存在疑问的记录或提取结果存在分歧的情况，会通过基于预先设定的筛选与提取规则的讨论达成共识；在必要时也可寻求第三方意见作为裁决依据。在方案制定过程中考虑了Cohen’s kappa指标，但并未作为正式统计量进行报告。实际上，一致性是通过重复检查与共识达成来处理的。数据提取采用了结构化框架，涵盖架构类别、孔径尺寸、部署与锁定策略、反射面及支撑结构描述、驱动与控制功能、验证环境、所报告的性能指标以及证据质量标注。缺失值以NR（未报告）的形式保留，不予插补。当不同来源中关于质量或存储体积等量的子系统定义存在差异时，会明确记录相应的边界值，尽可能分配边界类别；若无法调和这些定义，则相关数值不会被用于直接定量比较。提取流程还会记录某个数值是否具备可比性，且当子系统范围存在显著差异时，会记录可比性说明。不完整的数值为保持完整性而保留，而非被隐式规范化处理。这样一来可减少错误的同类比较，提升后续基准测试表的可追溯性。图1和表4提供了包含精确计数的PRISMA风格核心审计轨迹。在106条被排除的记录中，主要原因包括主题或应用超出范围、缺乏与反射器相关的足够技术内容、缺少足够的定量或验证细节，以及存在冗余或已被替代的报告。本综述仅聚焦于用于太空领域的可部署网状反射天线。只有那些能直接为DMRA研究提供有用见解的可充气反射器、刚性可折叠实心表面反射器、膜状或实心反射阵列、平面相控阵以及不可部署的地面系统才会被提及。总体而言，该方法旨在使综述具有可重复性和可审计性，以满足评估证据基础的需求，而具体的数据库搜索字符串、扩展代码库以及更详细的提取材料则放在补充资料中。

**DMRA的结构设计与部署机制**
在探讨各个DMRA概念之前，有必要明确本综述所采用的分类原则。现有的可部署网状反射天线可根据若干不同的、部分相互垂直的维度进行分类。若混淆这些维度，可能会导致描述不一致。例如，“环形支撑”“伞形结构”“缆绳驱动”和“模块化设计”并非处于同一分类层级。“环形支撑反射器”主要描述的是其支撑方式。

**驱动系统与形状控制**
DMRA天线能够实现紧凑存储，并可靠地展开到较大孔径中，但在循环热负荷、微重力环境及辐射作用下，保持展开后的表面精度与对齐状态仍是一项系统级挑战。由于微小的几何偏差就可能导致RF性能大幅下降，因此驱动与形状控制子系统对于在整个任务周期内保持精度至关重要。本节将介绍几种典型的驱动方案——SMAs、SMPCs和PEAs——及其特点。

**性能指标与设计权衡概述**
在1.1节“研究动机与技术挑战”和1.2节“本综述的整体概况与范围”的基础上，本节探讨了材料、结构及驱动方面的选择如何在实际任务约束下影响系统的整体性能。此处考虑的关键指标包括展开后的孔径或反射器直径、展开质量及质量与尺寸的比例、存储效率、驱动器数量、部署所需的功率或能量，以及部署或重新校准的重复性等。

**在太空任务中的应用**
DMRA天线被广泛应用于各类太空任务，包括通信、深空链路、地球观测、遥感以及环境监测。如今的讨论不再仅仅着眼于孔径大小或包装效率，而是以任务需求为导向，将展开后的几何结构、表面精度、指向稳定性以及RF性能与特定任务的要求联系起来。

**面临的挑战、证据缺口与未来发展方向**
本节提出了一种以资格判定为目标的模板，用于在明确的任务假设下解读DMRA的发展路径。它旨在作为任务导向的指导工具，而非通用的成熟度评估体系。各阶段的重要性取决于目标应用的轨道参数、使用寿命、RF性能预算、结构限制以及环境条件。因此，下文所述的各评估节点应被视为示意性的证据期望值，而非固定不变的标准。

**结论**
本综述总结了当前用于太空应用的可部署网状反射天线的最新发展状况，涵盖了其架构设计、部署与锁定机制、反射面与支撑结构、驱动策略以及面向应用的实际性能要求。现有文献显示，在轻量化结构设计、紧凑型封装、大孔径适配能力以及地面演示效果方面已取得了显著进展。与此同时，仍存在一些……

**数据可用性**
补充资料包中包含了针对特定数据库的完整搜索字符串与去重规则（附录S1）、去重前后的数据库搜索结果（表S1）、基准测试数据集的架构与代码库（附录S2）、边界规则与可比性标识（附录S3）、筛选排除规则代码库（附录S4），以及包含详细评估节点的MBEMA最低报告标准（附录S5）。

**CRediT作者贡献声明**
张晨晓宇：概念构建、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、初稿撰写、审稿与编辑。徐辉龙：正式分析、研究实施、软件开发、可视化处理。杨东武：资金筹集、项目管理、监督工作、审稿与编辑。罗世龙：研究实施、审稿与编辑。高远：研究实施、审稿与编辑。刘照阳：验证工作、审稿与编辑。杜静莉：

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。

**致谢**
作者衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号52175246）以及中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB3407102）提供的财政支持。

张晨晓宇|徐辉龙|杨东武|罗世龙|高远|刘照阳|杜静莉|范国章
中国陕西省西安市西电大学机械电子工程学院，邮编710071