充气太阳能帆板展开动力学数值模拟预报

充气太阳能帆板是一种通过气体驱动支撑管展开的新型太阳能帆板。首先简要介绍其研究进展，然后针对充气展开支撑管，提出了分段式充气体积控制模型，基于LS—DYNA模拟了空间环境下Z型折叠充气太阳能帆板在支撑管无约束与有轴向约束控制时的展开过程，分析了支撑管每折叠段的气压变化，上横板的动力学特性以及基板的平面外振动，预报了展开过程中支撑管与基板的接触碰撞，并通过悬吊式展开试验验证了计算结果。结果表明，本文计算能够预报充气太阳能帆板在空间展开的动力学特性。     

大型环形可展开天线反射器展开控制技术

大型环形网状可展开天线是卫星新型的天线载荷之一,其展开和收拢状态下的体积与重量都明显高于目前的星载天线。在发射阶段,天线需牢固可靠的收藏于卫星本体,卫星入轨后反射器需由收拢状态还原到全展开状态。大型环形网状可展开天线的反射器展开控制器是反射器展开的核心控制部件,它要实现反射器由收拢状态还原展开到位的全部控制过程。本文介绍了大型环形网状可展开天线反射器展开控制器技术的一种方案。     

星载高精度伞状天线展开过程运动及受力分析

伞状天线是目前大型可展开天线的一种主流构型。由于天线口径大，天线在卫星发射阶段处于收拢状态；卫星发射至指定轨道后，天线展开至工作状态。展开机构是伞状天线展开与收拢的执行机构，其展开与收拢过程中关键零部件的运动精度及受力情况直接决定了天线展开到位精度和天线型面在轨热变形，对最终天线在轨型面精度起决定性作用。文章以国内某星载高精度伞状天线展开机构为研究对象，结合天线展开机构各运动部件参数，利用解析的方法获得展开机构运动方程；通过对方程进行分析，得到展开机构各关键部件在天线展开过程中的运动情况、受力情况及天线理论展开时间，为天线最终在轨展开时间的制定及展开过程中关键零部件的受力控制提供理论依据。     

宽带相控阵馈源可展开反射面天线研究

为满足星载高增益天线的应用需求,本文设计了一种带有相控阵馈源的伞状可展开反射面天线。首先介绍了反射面天线可展开机构的原理及设计,由碳纤维天线肋和金属编织网面组成反射面,在高精度可展开机构的动作下实现其收拢和展开,从而大幅减小其收藏包络尺寸。对于直径为1.14 m的可展开反射面天线设计了宽带相控阵馈源,采用金属Vivaldi天线作为相控阵单元,根据极化方式、焦径比和扫描范围选择排列成双极化矩形阵列,使可展开反射面天线在8~16 GHz内实现二维波束扫描,通过电磁仿真进行验证,仿真结果表明,宽带相控阵馈源能够有效地增加可展开反射面天线的视场,反射面天线在8 GHz、12 GHz和16 GHz时扫描到0°的增益分别是38.03 dB、40.65 dB和41.48 dB,扫描到+3°的增益分别是37.68 dB、40.68 dB和41.09 dB。     

航天器缠绕肋天线缠绕过程动力学建模与仿真

航天器缠绕肋天线缠绕过程,涉及柔性大变形与大范围运动的耦合、阻尼因素影响,以及缠绕肋条与中心毂接触碰撞等动力学问题,是获取缠绕肋天线展开特性的重要输入。文章应用空间绝对节点坐标法对缠绕肋天线建模,基于比例阻尼模型推导了阻尼力对绝对坐标列阵的雅克比矩阵,建立了缠绕肋条与中心毂的刚柔耦合系统接触碰撞检测模型。通过对缠绕肋条缠绕过程进行仿真,获得了缠绕肋条缠绕过程的动力学响应,分析了阻尼系数选取对缠绕速度、中心毂接触力的影响,结果可为缠绕肋天线展开过程的动力学分析提供输入,并为缠绕肋天线研制过程中缠绕、展开试验提供参考。     

UltraFlex太阳翼有序展开动力学建模与分析

针对刚柔耦合的圆形薄膜UltraFlex太阳翼结构动力学建模与分析困难、微重力下薄膜运动复杂和展开精度要求高的问题，搭建了UltraFlex展开动力学数值分析模型，分析了扭簧和绳索驱动下UltraFlex的有序展开动力学特性。基于绝对坐标方法建立包含柔性附件和柔性薄膜的UltraFlex动力学模型，采用两步检测算法处理薄膜间的复杂接触碰撞问题，利用扭簧逐步释放扭矩的方法驱动结构有序展开，通过控制绳索释放速率的方法完成移动箱板的转动规划和限位跟踪，提高展开位置精度。将该展开驱动策略运用到NASA实际样机尺寸的UltraFlex分析模型中，仿真结果表明该展开策略能够使得UltraFlex结构高精度、有序、稳定地展开；绳索始终处于张紧状态，最大拉力为62.5N；薄膜展开过程复杂，重复出现张紧、回弹的现象，最终趋于稳定。     

基于蒙特卡洛法的卫星天线板展开精度分析

卫星天线板的展开精度对卫星在轨工作精度有影响显著,展开精度受多种因素影响,其中加工装配误差难以避免且具有不确定性,需利用统计和概率方法进行研究。文章分析了卫星天线板支撑机构锁定铰链锁定位置偏差对天线板展开精度的影响;建立了卫星天线板动力学模型,提取动力学分析结果作用于展开状态的天线板有限元模型进行静力分析,得到结构节点变形;定义了衡量天线板变形程度的精度指标,包括平面度偏差和指向角度偏差;基于给定的铰链锁定误差分布,采用蒙特卡洛法得到了天线板展开状态下精度指标的概率分布,拟合并验证了其满足正态分布,为天线板的可靠性设计和展开精度改进提供了依据。     

大变形太阳电池阵展开的多体动力学分析

由于存在大变形、非连续和大体量等特点,对大型太阳电池阵的展开过程进行动力学仿真面临着巨大的数值困难。基于共旋坐标法和无转动自由度的板壳理论,考虑柔性电池基板的几何非线性效应与电池板之间的接触碰撞,建立大变形柔性太阳电池阵的多体动力学模型。对大型的太阳电池阵的展开的动力学过程进行数值仿真,并对该过程中的复杂的动力学现象进行分析。研究结果给出了不同驱动下电池基板的响应、应力分布特征以及基板之间的碰撞规律。此项研究不仅为空间站大型太阳电池阵的设计和优化提供了参考依据,也为其它大型可展开空间结构的仿真提供了一种多体动力学分析方法。     

太阳翼铰链结构的动力学实验与非线性动力学建模

通过动力学实验获得真实的太阳翼板间铰链结构于不同激振频率下的振动响应参数,并采用力状态映射法建立板间铰链的非线性动力学模型。首先,采用单频激励信号模拟外扰对实际的板间铰链结构实施动力学实验;然后,基于其结构具有的多重非线性动力学特性,根据实验数据应用力状态映射法辨识结构的动力学参数,建立其非线性动力学模型;最后,对由太阳翼板间铰链连接的两段梁所构成的系统进行了冲击激励下的振动响应测试,同时进行了有限元动力学仿真,实验测试结果和数值仿真结果取得了较好的一致性。本文建立的太阳翼板间铰链非线性动力学模型能够较好地反映其动力学特性,对于实际太阳翼结构的动力学建模具有理论参考价值。     

考虑压电耦合的空间充气展开结构频响特性分析

着眼于利用柔性压电元件获取空间充气展开结构的动力学特性，文章基于通用有限元软件ABAQUS，建立考虑压电耦合的空间充气展开结构频率响应分析方法，依次进行非线性充气预应力分析、模态分析和频率响应特性分析。以空间充气杆为例，分别利用有限元仿真和地面实验的方法得到其频响曲线，两者共振峰频率偏差小于2.3%，验证了充气展开结构有限元仿真方法的有效性。研究结果可为进一步分析空间充气展开结构的动力学特性和实施结构优化设计提供参考。     

薄膜充气管展开模拟试验

根据多体理论中凯恩方法建立的折叠充气管模型,模拟研究了V形折叠充气管的充气展开动力学特性.由管内气压变化与充气展开时间的关系,分析了不同充气速率和初始展开角时展开加速度与时间的关系.结果表明:该模拟方法有效,展开加速度与充气速率总体成正比.另发现,为改善充气管的展开动力学性能,需控制特定展开角度范围内的加速度波动.     

缓冲气囊展开与缓冲着陆过程的仿真分析

文章基于显式有限元模型,采用控制体积法对缓冲气囊的展开及缓冲过程进行仿真分析。首先对单个球形气囊进行折叠展开过程模拟,之后依据NASA"猎户座"缓冲着陆器的缩比模型,建立了一个用以评估气囊着陆衰减系统的LS-DYNA有限元模型。分别研究了缓冲着陆器正碰和侧碰对缓冲气囊压力、着陆器的加速度和运动的影响。并与文献进行对比验证,计算结果表明数值模拟的正确性。     

燃气作动筒式折叠弹翼展开过程分析

为模拟某巡航导弹齿轮-齿条传动作动筒式弹翼展开过程,采用Cook高压气体状态方程计算作动筒内弹道性能,并耦合运动几何关系求解弹翼展开行程。分析得出,弹翼展开过程分为4个阶段,主要影响阶段为展开停滞阶段,并揭示出影响停滞阶段的主要因素。最后,采用C++Builder编制工程实用软件,与试验结果对比表明,该软件可模拟弹翼展开过程,有一定的工程实用价值。     

薄膜充气管充气展开特性试验

用展开导轨消除因重力产生的摩擦力,在不同充气速率与初始展开角条件下对薄膜材料充气管的充气展开特性进行了试验研究,获得了展开角,以及展开加速度和内气压的变化规律。试验及分析结果表明:充气管的充气膨胀与展开相互独立,充气膨胀过程近似为等压增容过程,折叠部位的气压变化特性与整体气压变化特性差异明显。     

考虑根铰间隙的空间框架展开机构动力学分析

利用Kane法多体动力学基本理论并考虑根铰间隙影响因素，建立适用于空间柔性太阳电池阵的多框架展开机构多体系统动力学模型，对框架展开机构的展开方式和展开过程进行仿真分析，获得了机构组成部件在展开过程中的几何位置、速度、加速度等动力学特性，分析了框架展开机构各个关节点运动特性、铰链间隙与外部驱动力的相互作用规律。结果表明：合理控制框架展开机构各运动部件的驱动力矩是保证框架按照确定规律展开的必要条件；根铰间隙对太阳电池阵框架展开机构角加速度影响较为明显，进而影响到展开框架展开过程的稳定性，对转角和角速度几乎没有影响；在进行空间太阳电池阵框架展开机构设计时应严格控制铰链轴间隙，并通过动力学仿真校核间隙对太阳电池阵展开过程的影响；研究结果为空间柔性太阳电池阵多模块框架展开机构设计提供指导。     

折叠降落伞展开过程研究

为更好地从机理上研究折叠降落伞的展开过程,文章首先采用基于初始矩阵修正的直接折叠法建立了降落伞的折叠模型,并对该模型使用任意拉格朗日-欧拉法模拟了无限质量情况下不同风速、不同引导伞作用下开伞情况。计算结果证明了引导伞经验设计的有效性,但同时发现个别情况下经验设计过于粗糙,容易导致出现不良充气状态。文章的研究内容对降落伞设计、优化具有指导意义。     

典型折叠充气管的建模修正与展开仿真

本文分别研究了Z形、卷曲形、嵌套形折叠充气管的有限元建模方法。折叠充气管在进行有限元建模时,由于折叠部位内外层蒙皮的长度不一致给模型带来几何误差。不同的折叠方式建模技巧各不相同,引入的误差量也各不相同,本文着重分析了Z形折叠和卷曲形折叠建模所产生的几何误差,并提出了相应的修正方法。针对三种典型折叠方式,建立了相应的有限元模型,并应用控制体积算法实现了充气管的展开仿真。仿真结果验证了修正方法的有效性。增加尼龙粘扣是实现长卷曲折叠管的有控制展开的有效手段之一,本文采用失效连接来模拟尼龙粘扣的作用,比较了有、无尼龙粘扣的卷曲管的展开过程。仿真结果表明采用尼龙粘扣既不会明显带来充气管额外质量和刚度的增加,又可保证展开次序和展开方向的可控性,改善了展开过程的稳定性。     

航天器附件展开动力学仿真

用Newton-Euler法建立了中心刚体带挠性附件的航天器动力学方程, 进行挠性附件展开的动力学仿真,研究附件展开对主体姿态的影响。当航天器 附件展开机构失效时,利用航天器姿态抖动来帮助展开附件。本文用ADAMS软 件建立了航天器的虚拟物理模型,用ADAMS和Matlab/Simulink联合仿真了航 天器姿态抖动过程。仿真结果表明此方法是有效的。     

星载成形反射面天线全域基设计的研究

介绍了对星载成形反射面天线全域基设计法的研究。采用单馈源单反射面天线,通过优化反射面得到赋形波束。文章研究的全域基设计法运用物理光学法,将反射面用Jacobi-Fourier表达式展开,展开式各项的系数作为优化对象,代入反射面天线远场辐射积分的计算,在优化远场辐射特性的同时确定了反射面展开式各项的系数,也即确定了反射面。     

航天器弹性附件伸展动力学研究

利用动量矩定理推导出带伸展弹性板航天器的姿态动力学方程，在弹性板等速伸展的情况下，导出板的振动与伸展运动耦合微分方程，航天器姿态运动与板的伸展运动、振动耦合微分方程，通过龙格－库搭积分法得出了数值解，结果表明：弹性板等速伸展时，其振动的振幅随板长度的增长而增大，航天器姿态角速度随板长度的增长而减少。弹性板等速率越大，板振动的振幅越大。