大型空间可展薄膜结构动力学仿真分析

相对于传统的航天器平面刚性天线结构，柔性可展薄膜结构因其质量轻、收拢体积小等优点成为大型天线的重要发展方向，特别是在天基合成孔径雷达（SAR）天线高分辨率对地观测技术领域具有广阔的应用前景.为掌握其在轨结构动力学特性，基于温度-结构预应力导入方法建立了大型空间可展薄膜结构的动力学模型，分析了可展薄膜结构的动力学性能参数，同时基于建立的动力学模型开展了可展薄膜结构的优化设计研究，得到主要设计参数对可展薄膜结构动力学性能参数的影响权重，为其工程化实施奠定了理论研究基础.      

基于ANCF的挠性太阳翼动力学建模及模态辨识研究

可展薄膜结构平面太阳翼由于极具纤薄和轻柔的特性,导致其动力学性能参数显得相当复杂.为全面、准确地明晰大挠性太阳翼动力学特征对新型百公斤级低轨卫星姿态控制性能的影响,采用ANCF(absolute node coordinate formulation)索梁模型和ANCF薄膜单元构建主要挠性附件,基于索梁预应力建立大型空间可展结构的动力学模型.通过建立的动力学模型,综合考虑太阳光压力、气动阻力、重力梯度力矩和地磁力矩在内的复杂空间环境干扰,采用复模态指示函数(complex mode indication function, CMIF)进行薄膜结构平面太阳翼模态参数在轨辨识的研究.辨识结果与仿真分析结果的对比表明,CMIF方法能够有效地识别可展薄膜结构平面太阳翼的低阶固有模态,为该技术的工程实施提供了坚实的理论研究基础.     

空间薄膜结构刚柔耦合非线性动力学分析

空间薄膜结构经历大范围刚体运动时,刚柔高度耦合的非线性动态响应极易发生,这将会降低结构几何精度,甚至影响设备正常工作.针对平面张拉式空间薄膜天线,建立了大范围运动的空间薄膜天线刚柔耦合非线性动力学有限元模型,描述了二阶效应与刚柔耦合效应对结构刚度特性、阻尼特性以及载荷的作用.通过对模型的数值解算,讨论了刚体运动规律(初...     

基于常应变单元的空间薄膜结构动力学建模与分析

为了保证薄膜结构构成的充气式可展开天线、网状可展开天线和太阳帆等航天器的表面精度、信号增益等工作性能，需要对空间薄膜结构的动力学展开性能进行分析。由有限元离散方法将整个薄膜反射面离散为众多常应变三角形单元，这些单元的节点可视作质点；考虑这些三角形单元的弹性势能，由最小势能原理得到三角形单元的平衡方程，从而实现单元上点的应变和单元三条斜边线应变之间的转换；最后，为了防止展开过程中单元间接触，建立接触模型，由薄膜反射面的离散拓扑组集结构的质量矩阵和刚度矩阵，并建立动力学方程。基于文中方法对具体算例进行计算和分析，结果表明，动力学模型能够很好的模拟薄膜的展开过程，可应用于薄膜结构的展开性能分析中。     

静电拉伸空间薄膜反射镜面形控制机理研究

薄膜反射镜将解决反射镜孔径与重量相互制约的问题. 采用静电拉伸法控制薄膜反射镜面形, 具有结构简单、反射镜面形易于控制等优点, 其原理为利用静电场上库仑力作用使薄膜产生面形变化, 生成所需的光学曲面. 由于薄膜变形力学, 以及静电场理论的复杂性, 目前薄膜成形及其面形控制在理论分析上仍未有定量的结果. 本文主要以单电极静电场中的薄膜反射镜面形为考察因素, 通过数值计算的方法得到薄膜反射镜上的静电力分布, 运用有限元分析获得该分布下的反射镜面形, 并将其与理想面形进行比较. 提出采用多电极闭环控制可获得更高的控制精度, 对静电拉伸薄膜的研究具有一定的指导意义.      

离子束增强沉积TiB2薄膜的耐蚀性能研究

研究了在紫铜基材上用离子束增强沉积法（ＩＢＥＤ）沉积ＴｉＢ２薄膜后，在６００，７００和８００℃的空气中氧化的动力学曲线；在ＩＮＨ２ＳＯ４溶液中，用动电位扫描法测定了其极化曲线和极化阻力，用ＳＥＭ观察了其形貌，用俄歇电子谱仪（ＡＥＳ）分析了膜的成份，用Ｘ－射线衍射仪（ＸＲＤ）研究了膜的微观结构；讨论了ＴｉＢ２薄膜具有优良耐蚀性的机理。     

充气薄膜桁架的协同折叠设计及展开过程仿真

充气薄膜桁架结构可应用于大型空间充气薄膜航天器的展开部件和支撑结构。研究了充气薄膜桁架结构的协同折叠设计方案,首先推导了蒙皮结构的折叠状态几何公式,然后设计充气桁架的折叠方案,以几何适应于蒙皮结构折叠状态。建立了协同折叠设计方法,并得到了参数化模型。方案实现了横向和纵向同时折叠,横向折叠率为267,纵向折叠率为882。基于改进的弹簧 质点系统,完成了充气薄膜桁架结构的充气展开动力学仿真,得到了展开动力学行为和参数。仿真结果表明展开过程平稳可靠,未发生各构件间的物理干涉,从而评估了协同折叠设计方案的合理性,为此类结构的工程应用提供了技术支撑。     

Don Pettit 国际空间站微重力流体实验与若干现象的解析

Don Pettit 是美国NASA 的资深宇航员, 2002 年11 月至2003 年5 月, 在国际空间站工作期间, 进行了一系列名为Saturday Morning Science的微重力实验. Don Pettit 实验揭示了微重力下一些令人惊奇的现象, 涉及流体力学、气泡动力学、晶体生长以及运动学的诸多基础问题, 是能够获得的国际空间站为数不多的微重力实验资料, 具有重要研究意义. 实验包括14 组流体实验和7 组力学实验, 而流体实验又大致分为水膜实验和水球实验, 包括大尺寸水膜制备、扩散和对流、Marangoni 对流、薄膜结晶、水球/气泡旋转等. 本文对Don Pettit 实验的流体部分进行了介绍, 并对其中的Marangoni对流和薄膜结晶实验现象进行了解析.      

掺杂nc-Si:H薄膜中纳米硅晶粒的择优生长

发现PECVD生长的系列掺杂氢化纳米硅(nc-Si:H)薄膜中纳米硅晶粒(nc-Si)有择优生长的趋势.用Raman、XRD、AFM、HRTEM等方法研究其微观结构时发现:掺磷的nc-Si:H薄膜XRD 峰位的二倍衍射角约为33°.掺硼nc-Si:H薄膜的XRD峰位的二倍衍射角约为47°.用自由能密度与序参量的关系结合实验参数分析得到:较高的衬底温度引起序参量改变,使掺磷nc-Si:H薄膜中nc-Si的晶面择优生长.适当的电场作用引起序参量改变,导致掺硼nc-Si:H薄膜在一定的自由能密度范围内nc-Si的晶面择优生长.      

掺杂纳米硅薄膜的生长特性

采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法成功的沉积出掺杂(主要是磷、硼)纳米硅薄膜.探讨了各种生长工艺条件对掺杂纳米硅薄膜的结构与性能的影响及其规律.利用高分辨电镜(HREM)、Raman散射等手段对掺入不同杂质后的纳米硅薄膜的微结构进行初步研究,并从实验和理论上对掺杂纳米硅薄膜的生长特性进行了探讨.得出掺杂纳米硅薄膜具有与掺杂非晶硅薄膜和掺杂微晶硅薄膜不同的生长特性,即杂质原子绝大部分是非活性的,只有很少一部分在薄膜中起施主作用.大部分非活性的杂质原子存在于晶粒间界.     

硅基底上外延生长过渡金属硅化物薄膜的研究

过渡金属与硅的接触系统一直被人们所关注,是因为它们在界面处具有肖特基势垒的形成、过渡金属硅化物的外延生长、制作器件的稳定和耐高温等重要性.因此在硅基底上形成金属硅化物薄膜也被广泛应用于半导体工业.对硅衬底上蒸发的Cr、Fe、Mn薄膜进行热处理,通过固相反应法(SPR)制备过渡金属硅化物薄膜,即经过对过渡金属硅化物(薄膜)/Si系统进行各种温度、不同时间的热处理,制备出各种过渡金属硅化物薄膜.对于制成的各种硅化物薄膜,用X射线衍射法(XRD)和软X射线发射分光光谱法(SXES)对它们的组成成分进行了分析和确认.并且,由这两种分析方法表明:各种过渡金属硅化物薄膜在硅衬底上各形成了单一相的均匀层硅化物薄膜.     

航天器用新型聚酰亚胺薄膜性能研究

原子氧是低地球轨道环境中对航天器影响较为严重的因素之一. 为了提高聚酰亚胺薄膜抗原子氧侵蚀的性能, 依据结构与性能的关系, 设计合成了新型的聚酰亚胺薄膜. 采用这种新型聚酰亚胺薄膜制备了二次表面镜, 利用地面模拟设备对热控涂层进行原子氧暴露试验, 结果表明其具有优异的耐原子氧侵蚀性能. 此外, 真空elax-elax紫外、真空elax-elax质子、真空elax-elax电子辐照等空间环境模拟试验表明, 这种耐原子氧聚酰亚胺薄膜二次表面镜热控涂层具有良好的空间稳定性.      

非晶态NiSiB薄膜电阻的弛豫

用射频溅射制备了一组厚度不同的NiSiB非晶态薄膜.在不同温度下,用不同时间对薄膜进行了循环退火.实验测量了循环退火后的薄膜电阻随温度的变化,得到可逆和不可逆两组曲线.厚度较大(>1 000)的薄膜,电阻随温度的增加而增大,厚度较小(<400)的薄膜,电阻随温度的增加而减小.电阻温度系数有正有负.从非晶态材料的结构弛豫出发,应用激活能谱模型和推广的Ziman理论讨论了实验所得的结果.     

基于石墨烯膜的光纤Fabry-Perot腔干涉特性分析

针对以新型材料石墨烯为膜片的光纤法珀压力传感器,应用圆薄膜大挠度弹性理论,利用有限元法分析了均布载荷下石墨烯膜的挠度形变;并基于Fabry-Perot干涉仪原理,建立了光纤Fabry-Perot腔压力传感的数学模型.根据石墨烯膜折射率特性,分析了层数、入射光角度等参数对石墨烯膜反射率的影响,获取了腔长损耗以及薄膜挠度形变导致腔长变化而引起的干涉光谱变化规律.仿真结果表明,增加薄膜层数可提高反射率、改善干涉性能;但随着载荷增加,其对挠度形变的影响表现为反向递减效应.8层石墨烯薄膜可获得0.715%的反射率,且当腔长为40μm时,直径25μm薄膜的理论压力灵敏度约为10nm/kPa.这为基于多层石墨烯的膜片式光纤压力传感器的设计提供了理论依据.      

热反射测温系统测温准确度验证方法研究

针对热反射测温系统测温准确度验证结果不准确的问题,提出了一种热反射测温系统测温准确度的验证方法.采用以Si为衬底,利用半导体工艺制备金薄膜电阻,通过制作夹具,键合薄膜电阻与夹具的方式研制出验证电阻件.使用温控平台在30～100℃温度下对其进行温度系数考核,结果表明电阻件的阻值与温度有良好的线性关系.通过热电法计算出电阻...     

热电薄膜材料的制备和制冷器件的数值模拟

论述了热电材料低维化和器件小型化的发展趋势以及在航空航天领域的应用.利用磁控溅射的方法,在柔性衬底聚酰亚胺(PI)上制备了热电薄膜材料,并对其微观结构和性能进行了表征,结果表明:P型Bi-Sb-Te和N型Bi-Te-Se薄膜均表现出(015)的取向性.利用ANSYS有限元模拟软件热电耦合场分析单元对面内型薄膜热电制冷器进行了模拟,讨论了器件的工作电流和材料物性参数对器件制冷性能的影响,发现通过减小基底的厚度和热导率,可增大基底面内方向的热阻,实现热流沿热电臂的传输;基底的镂空设计和制冷区域高导热层的引入,有利于制冷温差的建立和制冷区域的均匀制冷,这些为薄膜型制冷器件的制备提供了指导.      

小行星着陆装置着陆动力学及着陆性能分析

小行星着陆装置实现着陆器在小行星表面的着陆,其动力学及着陆性能研究对着陆装置研制具有重要意义.基于三腿式小型着陆装置,在对其结构特点及着陆策略分析的基础上,采用Lagrange方程建立了二维着陆动力学模型,模型对着陆及翻转阶段的动力学特性进行了描述,其计算结果与仿真验证较为接近且具有一致的变化趋势.在最大允许倾角为30°的着陆面上,采用仿真分析方法对着陆装置在不同着陆速度及偏航角下的着陆性能进行了统计分析,结果表明着陆装置具有良好的着陆性能.     

掺磷纳米硅薄膜的微结构

采用喇曼(Raman)散射谱、高分辨率电子显微镜(HRTEM)和原子力显微镜(AFM)对掺磷纳米硅薄膜的微结构进行了分析,并对纳米硅薄膜的传导机制进行了探讨.结果表明:掺磷纳米硅薄膜由尺寸为2～4*#nm的晶粒和2～3个原子层厚的非晶界面构成,计算得到薄膜的晶态比为40%～55%.与本征纳米硅薄膜相比,掺磷纳米硅薄膜晶粒尺寸和晶态比没有明显变化,电导率却提高了2个数量级.随着掺磷浓度增加,纳米硅薄膜的晶粒尺寸、晶态比及电导率逐渐增大.AFM观察表明掺磷纳米硅薄膜由尺寸介于15～20*#nm的团簇构成,团簇排列具有带状特征.     

聚酰亚胺/无机氧化物复合薄膜的制备与耐原子氧性能

分别以锆酸四丁酯、钛酸四丁酯和正硅酸乙酯为氧化物前驱体,利用溶胶凝胶法制备了一系列聚酰亚胺/无机氧化物复合薄膜,在原子氧地面模拟设备中进行了原子氧暴露实验,原子氧累计通量约为3.1×10²⁰ atom/cm².分别考察了无机氧化物种类和含量对复合薄膜力学性能和耐原子氧性能的影响.结果表明,无机氧化物在聚酰亚胺基体中的分散形态对其力学性能影响很大;原子氧暴露后,聚酰亚胺薄膜表面分别形成了富锆、富钛和富硅的保护层,质量损失率减小,耐原子氧性能明显提高.     

充液航天器目标跟踪自适应控制

对于在零重力环境下受到横向控制力和俯仰控制力矩作用的带球形贮液箱的航天器模型,研究了其在平面运动的动力学特性.将晃动液体等效为单摆模型,利用Lagrange方法建立了系统动力学方程并且将其转化为状态变量方程形式;应用微分几何原理,以单输入—单输出系统（SISO）为例,研究了系统的非线性动力学特性,并进一步针对目标跟踪问题设计了SISO系统基于线性化模型的控制策略.研究结果表明：对于液体晃动-航天器姿态耦合动力学系统采用极点配置间接自校正控制策略能够实现姿态角的镇定及跟踪.