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。     

折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅰ)——计算模型

将太阳电池板蜂窝芯子、面板和硅电池片中发生的辐射－传导复合传热过程等效为一个无内热源的三维瞬态热传导问题。根据电池板的材料、尺寸及结构形态导出太阳电池板的三维等效导热系数。针对任意两相邻电池板表面间的热辐射交换规律，构造适用于这表面内节点温度的离散方程系数。研究折叠状态太阳电池阵边界节点的热特点时，仔细考虑了地球红外辐照、地球的太阳反照、太阳辐射加热、航天器舱体几何遮挡、深冷环境散热、飞行轨道高度及航天器在太阳－地球系中不同位置等造成的影响。利用本文给出的方程，可以求出展开前在轨折叠状太阳电池阵三瞬态不稳定温度场。     

卫星太阳电池阵研制标准体系建设及与国外ECSS对标分析

近几年卫星在地面试验中以及在轨运行中出现多次太阳电池阵相关的异常问题，通过对地面试验和在轨数据的分析，确认属于频繁高发的同一类型质量问题。分析其原因主要由于新技术、工艺条件发生变化，而相关的太阳电池阵设计标准、地面试验验证手段没有适应该变化，导致出现异常。本文针对卫星太阳电池阵研制标准体系建设开展研究，对国外ECSS （欧洲空间标准化合作组织）卫星太阳电池阵研制标准进行对标分析。重点研究标准体系在太阳电池阵、结构机构、太阳电池电路以及太阳电池片的设计、生产、装配、测试、验收标准的制定和应用；对太阳电池板研制标准体系进行分析研究，为后续太阳电池阵的研制过程及试验提供参考，对确保卫星安全可靠供电，圆满完成飞行任务具有重要意义。     

LEO太阳电池一次放电模型研究

空间等离子体作用下,太阳电池一次放电是诱发二次放电的主要原因。目前缺乏适合工程应用的一次放电快速评估模型。文章借鉴辉光放电理论,针对太阳电池三联点结构提出一次放电一维简化模型,用于评估太阳电池设计对放电脉冲强弱的影响。模型计算结果表明,增加玻璃盖片厚度和电池串联间隙有助于提高一次放电起始电压,一次放电频率随着太阳电池偏压和表面二次电子发射系数增加而增大,放电电流随着太阳电池偏压和电池阵电容增加而增强。该模型计算结果与试验测试结果基本一致,且比其他模型计算过程简单,可以为太阳电池设计中一次放电现象快速评估提供参考。     

星载柔性可卷天线固有频率提升方法研究

柔性可卷天线是以卷曲方式收拢的新型可展天线,由于空间环境的复杂性,天线的动力学特性将直接影响其形状保持与形面精度,进而影响卫星的通信。针对天线展开后刚度不足的问题,采用有限元方法分析了天线的前两阶模态,对应的振型是阵面与伸展臂的耦合振动。为提升前两阶模态频率,从天线各组成部分的几何尺寸、材料等方面改变天线结构,发现天线整体的固有频率与伸展臂的刚度近似成线性关系,随柔性阵面的质量增大而降低。为此,结构加强的重点应放在伸展臂上,并优先选择轻质的阵面。此外,为避免悬臂式结构布局,提出了两种拉索设计方案,比较了拉索预紧力、拉索刚度对固有频率的影响,采用刚度足够大的拉索可使天线的固有频率提升至2Hz以上。     

卫星电源系统优化设计

对卫星电源系统进行总体优化设计是提高其可靠性和性能,减轻重量的一条重要途径。以太阳同步轨道卫星为背景,研究了太阳电池阵/蓄电池组联合电源系统的优化设计。包括以下内容:(1)轨道光照条件的计算方法;(2)研究了固定展开式、一个自由度对日定向式和两个自由度对日定向式等构型的太阳阵的最佳应用范围,建立了太阳阵的直流分析模型;(3)建立了蓄电池组的容量设计方法和直流分析模型,对蓄电池组的组成和充电方式,能量多圈平衡等问题进行了优化分析;(4)以太阳阵的输出功率为目标,对峰值功率跟踪(PPT)和直接能量传输(DET)两种太阳阵功率调节方式的应用范围进行了分析和比较。以电源系统的重量功率比最小为目标函数,对四种典型DET方式的电源系统配置方案进行了优化比较;(5)建立了以母线为核心的电源系统的交流小信号模型,导出母线阻抗,稳定性,瞬态响应和纹波的分析方法,对母线性能进行了优化设计;(6)对SEDSAT-1小卫星电源系统进行了仿真实验,部分验证了上述研究结果。本文的研究可用于电源系统总体设计的方案比较和方案优选过程。它将有助于定量地比较和优选电源系统设计方案,并实现降低重量功率比和提高性能的目的。     

卫星用网格状复合材料承力筒结构优化设计

基于MSC.NASTRAN通用结构分析软件用有限元法对某卫星平台轻量化设计进行了研究.主承力结构选用新型网格状复合材料承力筒结构,优化目标为结构质量最轻.在结构强度、刚度和稳定性,满足卫星平台使用要求的约束条件下,讨论了承力筒的网格交角、网格数、网格截面尺寸与蒙皮厚度、铺层方式,以及材料选择等优化变量的确定.对根据优化...     

航天器大型网状天线透光性遮挡的精确计算方法

针对航天器太阳电池阵的设计和仿真中需要考虑大型网状天线造成的透光性遮挡的问题，提出一种精确计算透光性遮挡的方法。该方法以最小重复单元对金属网布进行三维建模，求取不同光照下金属网布透光率并存为表格；计算含金属网布构件造成的透光性遮挡图形时，用三角面片对构件进行三维建模，先计算出三角面片与入射光线的位置关系，查表得到该三角面片的透光率后将其投影区域的光照强度相应减少。径向肋天线算例表明，该方法快速准确，能正确生成透光性遮挡图形，为太阳电池阵仿真分析奠定了基础。     

复合材料环形高压容器缠绕参数设计与分析

针对诸如环形气瓶等圆环状压力容器的缠绕，提出同时满足结构特性和缠绕工艺性的参数设计方法以符合实际工程需要。推导了圆环面纤维不架空和不滑移判据；根据内压作用下纤维螺旋加环向缠绕环壳的平衡方程，考虑截面厚度变化和缠绕初始条件，给出了均衡缠绕参数及线型的确定方法，讨论了在不同管径比和厚度比下该线型路径的稳定性；以螺旋向铺层的初始缠绕角和厚度为变量，对结构进行重量最小化设计。作为算例，对纤隹缠绕环形高压气瓶在爆破压强为40—80MPa的范围内进行优化设计。结果表明，优化设计的均衡缠绕线型模式睛确可靠，满足纤维缠绕的基本要求，能充分发挥缠绕结构的力学性能。本文的设计计算方法可直接用于复合材辞环形气瓶的初步设计。     

发电-储能一体化柔性电源系统结构热特性仿真研究

基于柔性薄膜砷化镓(GaAs)太阳电池、全固态薄膜锂电池(TFB)和柔性管理电路组成的发电-储能结构一体化电源系统，可以用作便携式应急电源，也可与无人飞行器、便捷式电子设备、无线传感网络节点等结合，实现自身能源的闭合供给，满足相关装备对电能源全天候、长时间、模块化等多样化应用的需求。但在实际工作中，系统的电转化效率只有30%左右，大部分太阳光的能量经太阳电池吸收后会转化成热，TFB在充电过程中也会发热。电源系统中，柔性太阳电池和TFB采用键合的方式结合，由于薄膜各层材料的热膨胀系数不同，产生的热量会在电源系统内部导致热应力，造成键合材料的分离，甚至破坏整个电源系统。通过计算机模拟柔性电源系统在月球表面环境下的工作状态，建立电源系统结构模型以及热传递数学模型，仿真得到不同结构电源系统工作时的温度场和应力场分布情况，对发电-储能一体化柔性电源系统结构优化和工作状态的掌握具有指导意义。     

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。     

太阳翼地面展开锁定的动力学仿真分析

利用ADAMS软件的柔体动力学计算功能,将ADAMS和PATRAN/NASTRAN软件联合,建立太阳翼地面展开及锁定仿真模型,从太阳翼展开初始就考虑连接架和基板的弹性,以及地面各影响因素的影响,对太阳翼地面展开锁定过程进行连续的仿真计算,得到了对驱动机构的冲击载荷等动力学性能.分析方法得到了试验的验证.其后,给出了太阳...     

展开锁定对太阳电池阵驱动机构的冲击载荷分析与测量

太阳电池阵在空间会以较大的速度展开到位并锁定,这会给太阳电池阵的对日定向驱动机构(SADA)带来一定的冲击载荷,而仅依靠软件仿真很难得到准确可靠的冲击载荷数据。文章提出在卫星星体与太阳电池阵根部铰链之间串接一个测量工装,通过测量工装产生的应变可间接获得冲击载荷。该技术措施已在型号研制中得到应用,为驱动机构承载能力的设计分析和考核提供了依据。     

折叠太阳翼支承点分布优化分析

为了研究支承点分布对折叠太阳翼固有频率的影响,以典型两折叠太阳翼结构为研究对象,根据能量守恒原理和Rayleigh-Ritz理论推导出两折叠太阳翼的振动方程和频率方程。对折叠太阳翼固有特性及支承点分布对其固有特性的影响进行深入分析,并以基频最大为目标对其支承点的分布进行优化,获得最优支承位置。算例分析表明,在给定支承点分布情况下,理论计算结果与有限元分析结果具有较好的一致性。研究结果可为折叠太阳翼支承点分布的设计提供理论分析依据。     

太阳翼展开锁定最大冲击载荷修正方法

太阳翼展开锁定过程产生的锁定冲击载荷是卫星设计的重要指标,太阳翼设计时一般通过地面试验或仿真对该载荷进行估计。文章提出一种对太阳翼展开锁定过程最大锁定冲击载荷的修正方法。此方法在试验或仿真得出的载荷-时间曲线的基础上,参考模态分析结果或载荷曲线的频率分布情况,按频段分解,调整相位后再进行叠加,得到修正后的可能最大载荷。...     

基于驱动机构作动的太阳翼振动控制原理与实验研究

针对航天器在调姿或变轨过程中太阳翼长时间、低频振动引起航天器系统无法正常工作的问题,以太阳翼自身驱动机构为作动器,提供反馈控制力,进行振动抑制。在原理性研究的基础上,建立了贴近工程实际的真实尺寸太阳翼有限元模型,改进了控制算法,实现了太阳翼在振动控制结束后的正确复位,并利用动力学缩比模型对振动抑制方法的有效性开展了实验验证。结果表明:该方法不需引入额外的非有效载荷,能够在保证太阳翼不偏离目标位置的同时,有效抑制太阳翼的低频振动。     

电磁超材料在超宽带雷达隐身微小卫星设计中的应用

针对微小卫星在雷达频段面临的宽带隐身问题,提出利用电磁超材料实现卫星隐身的设计方案,该方案包括两种不同类型的电磁超材料雷达吸波体。其中多层结构超宽带吸波体利用高阻表面设计耦合型吸波结构,适用于微小卫星星体及太阳能电池阵背光面,工作频带覆盖S、C、X、Ku频段;透光型混合结构宽带吸波体利用高透光的氧化铟锡设计吸波结构,适用于卫星电池阵受光面,隐身频带覆盖X、Ku频段。样件及整星的仿真和实验结果表明,电磁超材料构建的雷达吸波体可以实现超宽频带电磁波的有效吸收。将该材料应用于微小卫星的设计中,可以达到卫星整星RCS缩减的目的。该材料不论是机械强度、密度、透光性,还是抗原子氧剥蚀能力都具备潜在的工程应用价值。     

Material considerations in the STEREO solar array design

Solar TErrestrial RElations Observatory (STEREO), the third mission in NASA's Solar Terrestrial Probes program, launched aboard a single Delta II 7925 launch vehicle on October 25, 2006 from Cape Canaveral. This two-year mission employs two nearly-identical, space-based observatories, one ahead of the Earth in its orbit, and the other trailing behind, to provide the first stereoscopic measurements of the sun and its coronal mass ejections, or CMEs. The STEREO observatories utilize four sets of solar arrays, each of which experienced a two-stage deployment on-orbit. This paper illustrates material considerations in the solar array subsystem design. It first focuses on the solar array substrate, considering material coefficient of thermal expansion (CTE) concerns when choosing a substrate laminate to which the solar cells will adhere. It then explores a similar issue when choosing a substrate insert material. Next, the focus shifts to material considerations in the solar array hinge design. This design was driven not just by function, but by a host of different material considerations, ranging from mass savings to fabrication time and cost.