面向空间应用的薄膜可展开结构研究进展及技术挑战

空间可展开结构正向着大型化、轻量化和高精度的方向发展,薄膜可展开结构以其高收纳比、高比刚度等优势而成为大型空间可展开结构的重要实现手段之一。结合未来构建大型空间结构系统的需求,梳理了薄膜可展开结构在大面积电池阵、大口径星载天线、太阳帆、遮光板、再入减速装置及太空舱等多个方面的典型空间应用,介绍了各类空间薄膜可展开结构的研究进展,探讨了薄膜可展开结构在系统设计、柔性材料、收拢展开、结构控制和加工测试等方面存在的技术挑战。     

套筒驱动的大型可展收柔性太阳翼地面展开重力卸载研究

大型空间展开机构在微重力环境工作,自身不具备克服地面重力展开的能力,在地面进行展开试验验证时,需对机构进行重力卸载。套筒驱动的大型可展收柔性太阳翼存在在轨展开步骤多路径复杂、活动部件多、收拢构型紧凑而展开尺度大的特点,地面重力卸载难以实现。以过程无需调整航天器姿态就完成全部展开步骤为目标,利用气浮法、配重法、悬吊法等对展开过程的不同步骤设计了相应的重力卸载方案。采用特殊构型的工装解决了干涉问题,采用主动牵引的方法消除了工装引入的摩擦力。方案得到地面展开试验验证,具有工程借鉴价值。     

柔性可展开月球居住舱发展现状

柔性可展开构型月球居住舱具有质量轻、内部空间大、对发射载具要求低等优点,是未来月球基地建设的优势方案之一。在综述了国内外柔性构型月球居住舱典型设计方案后,梳理了柔性月球居住舱的发展现状,分析对比了不同构型、不同形态柔性月球居住舱的优缺点。在此基础上,结合未来月球探测需求,论证了柔性月球居住舱的关键设计指标与评价体系。梳理了柔性构型月球居住舱发展的关键技术,包括系统总体设计、可控刚化、蒙皮材料选择与结构设计、折展方案设计与过程控制等,并介绍了可能的技术途径,可为中国未来月球居住舱设计与月球基地建设提供参考。     

双环可展桁架结构模型柔性张力索网设计与分析

由于采用双环可展桁架结构可以有效改善结构刚度,实现更大的天线口径,故在已有双环可展桁架结构基础上,基于柔性张力索网成型原理设计可展天线反射面柔性张力索网,利用有限元数值分析方法对两种索网进行找形分析。制作2m口径双环可展桁架结构模型。在双环可展桁架结构模型上安装柔性张力索网,通过对拉索施加预应力将索网张拉成型。运用非接触测量系统对成形后索网节点坐标进行测量,将测量所得结果与数值分析所得结果进行比较分析,考察了柔性张力索网的型面精度。结果表明该张力索网可实现张紧成型,索网节点坐标测试值与设计值较为吻合,可为此类可展天线的设计提供参考。     

一类空间对称6R机构的运动学研究及组合应用

可展开平板机构已广泛应用于平板天线、太阳翼等航天机构产品。为提高可展开平板机构的刚度和展收比,将空间对称6R机构应用于可展开平板机构设计。首先,根据约束条件,计算后给出了一种空间3R运动链的几何参数关系;然后,结合螺旋理论,分析了该3R运动链的约束螺旋系;进而根据对称性,研究了空间对称6R机构的自由度、奇异性等运动特征;在此基础上,提出了一种特殊的空间对称6R转动机构;最后,研究了空间对称6R机构的组合方法,设计出一种新型单自由度可展开平板组合机构,并对其进行了运动学仿真验证。该可展机构具有二维方向的展开收拢能力,为可展开平板机构的创新设计提供了有益参考。     

大型可展开天线太空结构频率预测

由于空间大型可展开天线口径较大,在地面模拟太空环境难度高,使得直接在天线原型上进行性能测试非常困难或不可能。为了解决该问题,提出了一种“两步法”,利用空间大型可展开天线的缩比模型进行地面性能测试,以预测天线原型在太空中的工作性能。据此对周边桁架可展开天线太空工作的结构固有频率进行性能预测研究,首先推导了结构固有频率的相似准则,然后考虑结构参数畸变的影响,得出其相似性经验公式,最后研究了温度变化对结构频率的影响,得出了预测大型天线太空工作性能的经验公式。仿真结果验证了该方法的有效性,该方法可应用于其他空间结构的设计和性能预测。     

空间站可充气展开舱外载荷原理样机结构设计与分析

为了给航天员在轨科学实验提供更大的操作空间,并为未来空间站可充气展开舱段及充气式月球基地的建设进行相关技术验证,基于充气式运输居住舱设计理念,设计了一种由多层复合材料构成的柔性外壳及中央芯柱结构组成的空间站可充气展开舱外载荷原理样机。为了给结构限制层在压差作用下的囊体应力估算提供参考,分别推导了结构限制层囊体在压差作用下的环向应力和轴向应力,利用Von Mises应力描述囊体二向应力状态,并将结果与基于ABAQUS的有限元分析结果进行对比,验证了理论分析方法的有效性。最后样机试制及充气展开试验验证了包括舱门机构、地板展开机构和柔性外壳在内的舱外载荷原理样机结构设计方案的可行性。     

冲压发动机用梯度隔热层隔热性能研究

为了解决冲压发动机被动热防护结构在长时间、狭小空间、大温度梯度下的隔热问题,提出了多层组合梯度隔热方案。通过不同构型的梯度隔热层的氧乙炔实验研究,优化了梯度隔热层的构型,并对优化后的梯度隔热材料的隔热性能进行了冲压发动机试验验证。研究表明:2100K的高温下柔性梯度隔热层具有良好的隔热性能,能够解决狭小空间、大温度梯度条件下,冲压发动机长时间工作的隔热问题;梯度隔热材料的层数影响隔热层的隔热性能,较多的层数可提高柔性梯度材料的整体隔热性能;梯度隔热材料的隔热性能可采用氧乙炔隔热实验进行表征。     

大型太阳帆干扰力矩消减方法

针对柔性太阳帆大变形引起姿态干扰力矩过大的问题,采用有限元方法对一种执行太阳极轨探测的150 m×150 m柔性太阳帆进行仿真分析,采用修正的压力加载方法降低了太阳帆在光压加载下的变形分析误差,获得了帆结构在大变形下由光压引起的干扰力矩。为降低干扰力矩量值、保证姿态稳定,提出了一种通过调整构型来降低变形量的方法,并通过仿真分析验证了该方法的有效性。     

多链可重构模块化机器人的构型转换

可变形指尖陀螺是一种流行的玩具,其多链、可变形的优点为空间机器人提供了一种方案。以此玩具为启发,结合链型机器人灵活多变的特点,引入了多链可重构模块化机器人。以构型分析及构型转换策略为重点对多链可重构模块化机器人的拓扑构型展开研究,使其改变拓扑构型来适应不同任务。首先,结合整数拆分及排列组合,建立了适用于正六边形基座的模块化机器人基本非同构构型库,提出了一种非同构构型枚举算法,该算法表明非同构构型数随模块数的增加呈指数型增长;其次,以构型转换为核心,定义了基于结构特征的等价关系库,设计了一种构型匹配的重构策略来完成构型间的最优匹配与转换;最后,通过演示与仿真,验证了重构策略的有效性。     

Design and analysis of truss deployable antenna mechanism based on a novel symmetric hexagonal profile division method

As the deployment, supporting, and stability mechanisms of satellite antennas, space-deployable mechanisms play a key role in the field of aerospace. In order to design truss deployable antenna supporting mechanisms with large folding rate, high accuracy, easy deployment and strong stability, aiming at the geometric division of the parabolic reflector, a novel method based on symmetric hexagonal division and its corresponding modular truss deployable antenna mechanism is proposed, and the original method based on asymmetric triangular division and its corresponding mechanisms are presented for comparative analysis. Then, the screw theory is employed to analyze the mobility of different mechanisms. Furthermore, the improved three-dimensional mesh method is used to divide the reflector surface of a large parabolic antenna designed by the two different methods, and the profile accuracy and the type of links are taken as the evaluation indexes to quantitatively analyze the division results. Finally, a three-dimensional model of the modular deployable mechanism based on the symmetric hexagonal design is developed, and the deployable mechanisms with different configurations based on the two design methods are compared and analyzed from the mechanical perspective. The research results provide a good theoretical reference for the design of deployable truss antenna mechanisms and their application in the aerospace field.     

星载平面可展天线支撑桁架的结构效率优化

针对折展结构性能存在多指标且这些指标之间又相互制约的特点,把结构效率引入到可展结构的优化设计中,应用多因素正交试验法对一种空间可展开平板天线支撑桁架的优化问题进行了研究。对其关键几何设计参数进行了分析,建立了桁架结构的优化数学模型,以结构效率最大化作为优化目标,对可展桁架进行了结构优化,得到了支撑桁架各杆件的设计参数。结果表明:结构效率综合考虑了质量和刚度的影响,使结构质量和刚度同时得到优化;长宽比(l/w)是影响可展桁架结构性能的主要因素,对不同优化目标产生影响的次要因素有所不同;截面积对结构效率影响不显著(置信度p=90%),在相同杆长参数配置下,等截面可展桁架的结构效率仅次于变截面方案,但工程经济性最佳。该研究方法有助于在概念设计阶段从系统设计的角度进行空间桁架结构的快速设计与优化。     

Fatigue life of a plate with an arbitrary-shaped concentrator under low-cycle plane loading

A technique and an algorithm for calculating fatigue life of a plate with a concentrator under complex loading in the low-cycle fatigue region are presented and the life of the plate with different shape concentrators is considered. The local stress strain state is investigated in the framework of plane loading using the finite element method with the aid of the MSC NASTRAN software and the life is evaluated with the use of an integral criterion of the concentrator contour loaded-up condition.     

Structural design and model fabrication of cable-rib tensioned deployable parabolic cylindrical antenna

Deployable mechanisms with light weight and high storage ratio have received considerable attention for space applications. To meet the requirements of space missions, a parabolic cylindrical deployable antenna based on cable-rib tension structures is proposed and verified by a physical prototype. The parabolic cylindrical antenna adopts simple parallel four-bar mechanisms to construct the basic deployable unit, and the cylindrical direction dimension can be easily extended by modularization, which has obvious advantages in storage ratio and area density. Considering the complexity of the entire antenna structure design, including cable networks and flexible trusses, the form-finding design optimization model of a parabolic cylindrical antenna is established using the force density sensitivity method, and then the kinematics analysis of the deployable mechanism is carried out. Finally, a single-module prototype with a deployable diameter of 4 m × 2 m was designed and fabricated. The results of the ground deployment process test and surface accuracy measurements show that the antenna has good feasibility and practicability.     

太阳能火箭发动机聚光器设计方法

对工程上常用聚光器进行了性能比较,得出了适合于太阳能火箭发动机(STP)的聚光器及其具有的性能优点,研究了此种聚光器的的设计方法,并推出了相关公式和其中的关键技术,这对STP聚光器的工程设计具有重要的指导价值。      

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

Optimizing accuracy of a parabolic cylindrical deployable antenna mechanism based on stiffness analysis

Accuracy of the fitted surface is of great importance to the performance of deployable antennas utilized in space. This paper proposes a stiffness analysis based fitting accuracy optimization method for achieving the optimal parameters of the parabolic cylindrical deployable antenna mechanism. The stiffness matrix of the proposed cylindrical antenna mechanism is established by assembling the stiffness of beams and tension cables. Structural deformations of the mechanism are calculated where the tensioned cable is substituted by a 2-node truss element and an equivalent force acting on the joint. Consideration of the tensity of tension cables, namely tensioned or slack, is transformed into a typical linear complementarity problem. Comparison between structural deformations of the mechanism fixed at different points is performed. Sensitivities of the geometric and structural parameters on fitting accuracy are investigated. Influence of force of the driven cable on structural deformations of antenna operated in different orbits is conducted. A fitting optimization method is proposed to minimize the structural deformations subject to constraints on volume and mass. Simulation result shows that the fitting accuracy of the antenna mechanism is improved significantly through the optimization. The proposed method can be utilized for the optimal design of other deployable mechanisms constructed by joining rigid links.     

一种伞式可折叠柔性变胞机构的设计分析研究

 柔性变胞机构是一种依靠柔性构件变形实现构态变化的机构，利用柔性机构的某些特性可以综合提高变胞机构的性能和效率。提出一种伞式可折叠柔性变胞机构，该机构综合了变胞机构和柔性机构两大特点。利用伪刚体模型理论对该机构进行拓扑学，运动学及稳态分析。最后，对该机构进行运动学仿真，结果表明伪刚体模型法适合于柔性变胞机构的分析与设计。     

主被动复合驱动空间探测柔性伸杆机构的参数匹配

基于主被动复合驱动的思想提出一种大伸展/收拢比、高载荷/自重比的新型伸缩式伸杆机构,以满足微纳探测器的实际应用需求,用于支撑各类探测载荷远离航天器本体,避免本体剩磁对空间待测信号的干扰,保证探测数据的准确性。首先,探索描述被动驱动源（弹簧铰链）的力矩驱动特性;然后,分析柔性伸杆的弯曲、扭转、压平和卷曲等力学性能。在此基础上,结合建立的柔性伸杆伸展速度、负载动能、弹簧铰链势能及主动驱动（电动机）力矩等参数的能量流约束方程,进行主、被动驱动和柔性伸杆的参数匹配研究;最后,利用有限元软件仿真和样机平台实验验证了参数匹配的合理性。仿真与实验结果表明,针对主被动复合驱动的空间探测柔性伸杆机构,通过合理的参数匹配,可实现柔性伸杆无褶皱地平稳伸展和收拢,为后续的机构设计和控制方案奠定了基础。