空间结构展开与刚化

空间展开结构具有能构建大型结构、轻质而且成本低廉的特点。在航天器中呈折叠状的空间结构在空间充气展开后,要呈刚化,使其不因温度变化而引起变形并且不会因空间碎片或流星体的碰撞而被损坏。文中提出了展开前的折叠方法和包装效率评估方法。提出了两种刚化薄膜,在储存状态下易于折叠并能保持其所有的性能。一种采用单层薄膜浸渍长储存寿命树脂基的三轴编织纤维,另一种采用宽广温度范围长储存寿命的交互编织纤维刚性薄膜。     

结构/机构一体化空间可展开复合材料]柔性伸杆的设计

为了满足空间探测的需求，文章提出一种结构/机构一体化空间可展开复合材料柔性伸杆设计。该伸杆以结构自身所包含的长通孔作为柔性关节，利用柔性关节的弯曲势能，实现其180°折叠展开功能。首先，研究影响该伸杆刚度和强度的主要设计参数，并综合考虑伸杆的制造工艺要求以及实际使用状态，确定了该伸杆的最终设计状态。然后，对该柔性伸杆的展开状态进行模态分析，并对其柔性关节进行折叠展开试验。最后，测量该柔性伸杆的重复折叠展开指向精度。模态分析结果表明：带探测计负载的伸杆展开状态的一阶频率为15.80Hz，二阶频率为17.22Hz，满足设计指标要求。折叠展开试验结果表明：伸杆柔性关节的折叠展开性能良好，满足设计要求。指向精度测量结果表明：伸杆重复折叠展开10次后，偏差角的6σ值为0.00828，重复折叠展开指向精度较高，满足使用要求。结构/机构一体化空间可展开复合材料柔性伸杆的结构设计方案合理可行，可适用于多种航天器及多类空间探测任务。     

充气式天基太阳能电站方案构想

为了解决现有天基太阳能电站面临的技术难度和成本问题,尽早使其实用化,文章提出了一种新型充气式球形天基太阳能电站概念。概述了新型电站的工作原理、系统构成及功能,重点分析了通过采用球形柔性薄膜太阳能电池和空间充气展开结构材料技术,新型电站无须对日定向,能高效折叠存储升空和大大降低发电模块质量。文章还对新型电站总体设计、折叠展开、在轨刚化、高精度姿态控制及大功率电量存储和传输等关键技术进行了简要论述,可为未来天基太阳能电站的技术发展提供参考。     

空间飞网系统抛射参数优化研究

空间飞网由轻质绳索编织、通过抛射展开形成一定构型网,作为在轨服务的关键技术之一,在空间在轨服务、飞行器回收、轨道清理、空间拦截等领域具有巨大的应用潜力。本文采用ABAQUS建立不同折叠方式松弛飞网有限元模型并进行动力学仿真,提出了飞网展开效果衡量标准,比较了折叠方式对飞网展开性能参数的影响,对飞网的抛射参数：牵引质量块质量、抛射角度、抛射速度进行了优化设计。仿真表明,折叠方式的优劣是飞网有效展开的关键;在给定的参数范围内,得到了飞网抛射参数的最优值。     

三维编织复合材料细观结构参数对有效弹性模量影响

应用细观力学方法对三维编织结构复合材料的有效性能进行预测是研究编织复合材料宏观性能的重要途径。细观结构参数决定编织体内纤维束的结构形态特征及复合材料的各种性能。根据作者提出的三维四向编织复合材料代表单元模型，文章应用选择平均法(SAM)详细的分析了主要细观结构参数(单步步长、纤维束弯曲半径)与编织体有效弹性模量之间的变化关系，分析了细观结构参数对编织体有效弹性模量的影响，为材料优化设计奠定基础。     

折纸结构折叠运动学分析的节点坐标法

折纸结构在可展结构的工程实践中具有重要应用价值。为对折纸结构的折叠过程进行运动学数值模拟，文章基于广义逆矩阵理论，提出基于节点坐标的折纸结构折叠过程的运动学分析方法，以实现通过节点外力控制折纸结构的折叠运动；提出一种空间折纸基本单元，采用典型Miura Ori数值模型的折叠计算验证此基本单元的可行性；通过完整折纸结构模型与含有开口的折纸模型，对动不定折纸体系的折叠过程进行分析与考察，阐明其折叠路径与结构刚体位移的联系。数值结果表明，文章提出的方法可行，分析准确。其研究能够以节点坐标为未知量，为折纸结构的研究人员及设计者从节点坐标控制角度提供一种可行的分析方法。     

三维编织复合材料细观结构参数对有效弹性模量影响

应用细观力学方法对三维编织结构复合材料的有效性能进行预测是研究编织复合材料宏观性能的重要途径。细观结构参数决定编织体内纤维束的结构形态特征及复合材料的各种性能。根据作者提出的三维四向编织复合材料代表单元模型 ,文章应用选择平均法 (SAM)详细的分析了主要细观结构参数(单步步长、纤维束弯曲半径 )与编织体有效弹性模量之间的变化关系 ,分析了细观结构参数对编织体有效弹性模量的影响 ,为材料优化设计奠定基础     

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。     

空间带电粒子辐照与预应力耦合作用对功能形面薄膜结构性能影响研究

空间大尺度薄膜航天器是航天技术发展的重要方向,采用折叠展开的大面积功能形面结构是此类航天器的基本特征,为满足热控、通信、聚光、成像与能量传输等功能,结构需要通过预应力来维持形面,保证较高的形面精度和结构基频,但预应力加载对带电粒子辐照下薄膜材料性能退化存在促进作用.文章通过对薄膜材料在不同预应力工况和空间环境耦合作用下的损伤行为以及退化规律开展试验研究,建立与预应力状态、辐照注量相关的材料性能退化规律,量化研究了预应力对空间辐射环境下功能形面薄膜结构性能影响.随着薄膜力学性能的退化,形面结构基频随之有微弱的降低,且对薄膜结构平面度造成一定影响.     

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。     

Vectran纤维复合材料拉伸与撕裂性能研究

文章对Vectran纤维织物及Vectran纤维织物复合材料的拉伸和撕裂性能进行了试验研究;分析了环境温度对Vectran纤维织物拉伸性能的影响;讨论了不同涂层厚度下织物复合材料的抗拉特性与破坏模式。试验结果表明Vectran纤维织物材料的拉伸性能明显的受环境温度影响;材料失效破坏模式,对Vectran纤维织物主要为纤...     

Initial performance assessment of hybrid inflatable structures

Inflatable technology for space applications is under continual development and advances in high strength fibers and rigidizable materials have pushed the limitations of these structures. This has lead to their application in deploying large-aperture antennas, reflectors and solar sails. However, many significant advantages can be achieved by combining inflatable structures with structural stiffeners such as tape springs. These advantages include control of the deployment path of the structure while it is inflating (a past weakness of inflatable structure designs), an increased stiffness of the structure once deployed and a reduction in the required inflation volume. Such structures have been previously constructed at the Jet Propulsion Laboratory focusing on large scale booms. However, due to the high efficiency of these designs they are also appealing to small satellite systems.This article outlines ongoing research work performed at the University of Southampton into the field of small satellite hybrid inflatable structures. Inflatable booms have been constructed and combined with tape spring reinforcements to create simple hybrid structures. These structures have been subjected to bending tests and compared directly to an equivalent inflatable tube without tape spring reinforcement. This enables the stiffness benefits to be determined with respect to the added mass of the tape springs. The paper presents these results, which leads to an initial performance assessment of these structures.     

航天柔性展开结构技术及其应用研究进展

综述了航天柔性展开结构的技术特点及其在航天器中的研究应用情况，围绕航天柔性展开结构应用涉及的薄膜褶皱、充气张力结构的屈曲失稳、展开动力学、精度测试、刚化材料等关键理论和技术基础，评述了航天柔性结构技术应用中的关键问题及未来研究重点，最后给出了航天柔性展开结构技术的未来发展趋势。     

Mechanical study on initial profile solution for inflatable reflector made of orthotropic material

The woven fabric membrane materials are widely used in space and terrestrial inflatable reflectors. However the material?s anisotropy makes the design analysis more complex. The deviation from the desired shape, so-called “W-profile error”, influences the precision of the membrane surface significantly. In this study, a model of an axisymmetric paraboloid surface using membrane theory is established for the purpose of facilitating the surface precision optimization. Analytical solutions for displacements of the reflector are derived. An iteration method of initial reflector profile solution is stated and a finite element (FE) software employed in the solution is presented. A case study is illustrated to make a comparison between numerical and theoretical analyses. Finally, the conclusions are drawn that the analytical method and the FE iterative method for initial profile solution are feasible and efficient.     

Vectran织物复合材料冲击响应与失效模式分析

文章以Vectran纤维织物与涂覆低温硅胶的Vectran织物复合材料为研究对象,通过低速冲击实验研究了材料的冲击响应与破坏模式,分析了冲击速率、冲头尺寸与冲头形状对材料冲击特性的影响。实验结果表明:Vectran纤维织物冲击破坏模式主要为主纱线的拉伸破坏,以及冲头非接触区域纱线的弹塑性变形与滑移;涂覆硅胶的Vectran织物复合材料冲击破坏模式主要为纤维断裂和拔出;织物复合材料具有明显的应变速率效应。     

用于航天器贮箱的复合材料层合板低速冲击损伤及其渗漏规律研究

得益于优异的力学性能和减质优势，贮箱复合材料化已成为新一代航天器的重要特征之一，而复合材料贮箱的冲击后渗漏问题须要重点关注。针对一种用于航天器贮箱的含表层机织布复合材料层合板，通过依次开展低速冲击试验、C扫描损伤检测和氦质谱渗漏检测，获取不同能量冲击后层合板的内部分层损伤和渗漏率，并对比分析了机织布分别置于冲击侧和背侧时层合板的渗漏规律。结果表明，将机织布层置于冲击背侧时，层合板的冲击渗漏门槛值显著提高，且发生渗漏时出现目视可见损伤。     

Thermoelastic characteristics testing on kevlar samples for spacecraft structures

The tensile properties, the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of woven roving (WR) reinforced Kevlar fabrics were experimentally determined. Theoretical values for tensile Young's modulus were calculated by simulating a fabric as an equivalent cross-ply laminate. As thermal expansion coefficient concerns the fabrics have shown an isotropic behaviour. The thermal conductivity normal to fabric plane has also been determined.     

Highly mobile space suit material optimization

This paper discusses the factors that control the flexibility of fabric space suit elements by examining a bending model of a pressurized fabric tube. Results from the model are used to evaluate the current direction in highly mobile EVA glove research and suggest that changes are necessary in the suit and glove fabric selection methodology.     

铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布损伤分析

高强度、高模量纤维防护材料是航天器空间碎片超高速撞击防护结构材料的发展趋势之一。开展弹丸超高速撞击高强纤维材料时的损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量纤维。文章对铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布的损伤特性进行了分析研究,观察到了弹丸前部的损伤形态。根据试验结果拟合得到了铝合金弹丸后部产生初始破坏的临界破碎速度方程。分析表明:在试验范围内,铝合金弹丸撞击玄武岩纤维布的临界破碎速度低于撞击铝合金板的,即玄武岩纤维布对铝合金弹丸的破碎能力优于铝合金板。