含间隙天线折展机构模块精度分析

针对天线折展机构连接运动副间隙引起天线折展过程运动不确定、精度下降等问题,提出了基于"无质量杆"模型来模拟自由状态的含运动副间隙机构建模方法。该方法基于D-H法建立了天线3个闭环的几何关系模型,将无质量杆模型引入天线几何关系中,获得了展开误差的计算模型。通过综合运用蒙特卡洛法实现了自由状态折展机构展开误差计算。计算结果表明:转动副间隙对折展机构单元肋展开在Z方向上展开精度影响最大,单元肋展开最大误差为0.353 mm,可为天线折展机构设计提供了参考。     

应用于立方星的剪叉式可展开太阳电池阵机构

立方星在轨任务期间的能源供给主要依靠蓄电池或体装太阳能电池阵。随着微小航天器技术的发展,立方星功能密度越来越大,星上载荷对功率的需求越来越高,传统的电池板供能方式已很难满足未来空间任务需求。另外,立方星因其特有的尺寸规范和标准,对电池阵的收纳尺寸和展开机构也有特殊应用需求。基于上述背景和立方星的结构特点,设计了一种展开原理简单、扩展性好、折展比大的一维剪叉式空间可展开机构,进行了原理样机的加工制造和地面展开试验,验证了机构设计的功能可行性以及设计参数的合理性。机构展开后阵列发电功率是传统供能方式的3~5倍,且特殊的几何外形可提供被动重力梯度稳定优势,在提升未来立方星载荷能力方面有重要应用价值。     

同步可展机构的构型设计与运动学分析

文章针对可展机构展开运动过程中的不同步现象,提出了一种同步可展机构,并对机构进行了构型设计与运动学分析。首先,将同步齿轮传动与连杆机构相结合,基于锥齿轮的闭合传动原理,设计了一种可确保杆件同步运动的同步可展机构。其次,基于G K公式,计算了机构的自由度。然后,根据同步可展机构的阵列组合方式,构建了三类同步可展体系。进一步建立机构在全局坐标系下的运动学分析模型,利用传递矩阵法对机构整体进行了运动学方程推导,并进行了数值仿真分析。最后,基于ADAMS对机构的运动情况进行了仿真分析。结果表明：机构能够实现单自由度精确同步展开,体现了机构在运动过程中的规律性和对称性。基于ADAMS 的展开运动仿真结果与理论分析结果基本一致,验证了同步可展机构构型设计的合理性及所建立的分析模型的正确性。这种构型设计与分析方法同样适用于其他类型的同步可展机构及体系。     

低重力环境下基于超弹性铰链的某折展机构展开动力学研究

针对地外行星、月球探测中杆状天线对轻量化折展机构的需求,提出了一种基于超弹性铰链的两折杆折展机构,天线展开长度可达1.3 m,折展机构重量小于200 g;建立了超弹性铰链的薄壳大变形模型和机构的有限元分析模型,同时引入重力场影响,对不同重力场下机构展开动力学行为、展开时序进行了分析,并对天线末端特征点最大位移进行了预测;利用该折展机构原理样机开展了地球重力条件下的展开试验,使用高速摄影对展开过程进行记录并反演获得特征点位移信息,验证了特征点实际最大位移与分析值的一致性.基于超弹性铰链的两折杆折展机构的设计思路与分析方法,可以为我国后续深空探测更长尺度天线折展机构的设计与分析提供新的思路.     

Yoshimura折痕的双指机械手设计与分析

折纸的连续弯曲、扭转、伸展收缩和线性运动的特性,使得折纸构型比较适合机械手机构设计;然而,折纸在机械手方面的应用特别是对非柱状的机械手应用较少。基于图论和折痕分配算法提出了一种基于Yoshimura折痕的双指机械手机构,该机构由对应折痕等效形成的销杆连接构成。通过对折痕进行几何分析研究了该机构的运动特性,发现双指机械手机构能够实现弯曲抓取,具有弯曲程度大、抓取适应性强和结构刚度大的优点。对Yoshimura折痕的双指机械手机构进行了三维结构设计,通过对双指机械手机构进行自由度分析和几何分析,发现双指机械手单元具有3个自由度,机械手每个单元上的杆间角度越大可抓取物体的半径越小,且随着机械手横向和纵向单元数目增加其可抓取物体的半径变大。     

一种适合组批部署的小卫星构型与结构设计

针对目前质量在150～300 kg小卫星的构型与结构设计存在定制化设计,面向多种载荷布局、多型运载火箭发射环境、组批快速部署的适应能力不强的问题,文章设计了一种适合组批部署的双隔板四点连接式小卫星构型与结构,采用标准主承力结构,构型截面可变,结构主承力接头X向间距可调,并开展了结构分析及优化设计。经验证表明：在可调设计范围内,结构一阶固有频率变化小于2 Hz,最小值为40.8 Hz,主承力结构最低安全裕度为0.28,可满足我国多型运载火箭的要求,具有多种载荷布局适应性强、多型运载火箭发射环境适应性强、组批快速部署适应性强的特点,可为同类型组批部署需求的小卫星设计提供参考。     

小型化自动识别系统天线在卫星上的应用研究

提出一种M构型的新型小型化AIS天线,适用于布局复杂、结构紧凑的各种小卫星AIS系统。天线基于倒F天线设计,具有结构简单、尺寸小、重量轻等优点,便于星体安装和在轨应用。仿真分析和实测结果表明,天线在星体环境下的增益覆盖性能满足卫星覆盖要求。目前,天线已在多颗小卫星上得到成功应用。     

一种面向增材制造技术的桁架式支架结构设计方法

针对卫星结构轻量化设计需求,综合应用拓扑优化方法和增材制造技术在结构设计和加工方面的优势,提出一种面向增材制造的桁架式支架结构设计方法。首先,考虑增材制造加工工艺约束,应用拓扑优化方法在结构可行设计空间中寻找最佳传力路径,以此为基础抽象出相对应的桁架结构;然后,应用尺寸优化方法,设计最优的桁架杆件截面尺寸;最后,综合考虑最优杆件尺寸和结构加工/使用约束,进行几何重构,获得可供增材制造的结构设计方案。将方法应用于某卫星敏感器支架结构设计,得到一种相对传统构型减重35.4%的轻量化设计方案。经详细力学分析验证,在使用与传统构型支架相同材料参数和载荷工况下,新型支架基频提高34.3%,安全裕度提高13.0%,同时动态响应系数降低7.3%,验证了方法在结构设计方面的可行性,为同类结构的轻量化设计提供了有益参考。     

舱外航天手套关节阻尼的建模与测量

针对EVA手套(Extra Vehicular Activity Glove,舱外航天手套)弯曲时产生的皱褶现象,采用几何近似的方法对该现象进行几何建模型,通过分析皱褶的应力状态以及因Brazier效应产生的体积变化,获得了关节弯曲角度与外力、内部压力之间的关系。该关系表明EVA手套与刚性梁具有不同的弯曲模式。为避免内置式测量的缺点,利用平行四边形连杆和齿轮的组合设计了一种外骨骼机构。该机构能在EVA手套的背部驱动其产生模拟人手弯曲和伸展运动,同时位于指尖的力传感器输出运动过程中的阻尼力,该阻尼力可达8N并具有滞后特性。最后将理论计算的功与外骨骼机构做功进行比较,验证了褶皱建模的有效性。     

小卫星太阳电池阵结构声振响应分析研究

针对高频段太阳电池阵结构声振问题求解中的结构模态参数不确定性,文章从统计模态和能量平衡的角度出发,深入研究了复合材料面板太阳电池阵夹层结构的统计能量分析参数确定及功率流模型创建方法,并快速得到了太阳电池夹层结构的声振响应。对比分析与试验结果,发现二者吻合很好,因而验证了该声振响应分析方法用于小卫星太阳电池阵结构的有效性,并可作为小卫星工程研制中太阳电池阵结构动力学分析的有益补充。     

含间隙铰链的非线性动力学建模及数值分析

针对空间可展开机构中的含间隙铰链,建立非线性动力学模型,研究其非线性动力学特性。将含间隙铰链实体等效为"T"字型梁模型,针对两侧端部的径向碰撞和侧向碰撞,首次提出了碰撞点的检测算法。针对不同的碰撞类型,建立相应的非线性接触力和摩擦力分析模型,将碰撞点处的作用力等效施加到"T"字型梁模型上。进行"T"字型梁模型在轴向冲击载荷下的动力学特性分析,并与ANSYS软件的分析结果进行比较,验证了含间隙铰链非线性动力学模型的有效性。分析了有多个含间隙铰链的可展开桁架动力学响应特性,研究含间隙铰链对桁架响应的影响机理。结果表明:采用含间隙铰链的动力学模型,可以更加精确地分析可展开桁架结构的非线性动力学响应,为可展开桁架结构的动力学设计提供支撑。     

Structural design and static analysis of a double-ring deployable truss for mesh antennas

This paper addresses the structural design, the deployment control design, the static analysis and the model testing of a new double-ring deployable truss that is intended for large mesh antennas. This deployable truss is a multi-DOF (degree-of-freedom), over-constrained mechanism. Two kinds of deployable basic elements were introduced, as well as a process to synthesise the structure of the deployable truss. The geometric equations were formulated to determine the length of each strut, including the effects of the joint size. A DOF evaluation showed that the mechanism requires two active cables and requires deployment control. An open-loop control system was designed to control the rotational velocities of two motors. The structural stiffness of the truss was assessed by static analysis that considered the effects of the constraint condition and the pre-stress of the passive cables. A 4.2-metre demonstration model of an antenna was designed and fabricated. The geometry and the deployment behaviour of the double-ring truss were validated by the experiments using this model.     

Inflatable antenna for cubesats: Motivation for development and antenna design

CubeSats and small satellites have potential to provide means to explore space and to perform science in a more affordable way. As the goals for these spacecraft become more ambitious in space exploration, moving from Low Earth Orbit (LEO) to Geostationary Earth Orbit (GEO) or further, the communication systems currently implemented will not be able to support those missions. One of the bottlenecks in small spacecraft communication systems is represented by antennas' size, due to the close relation between antenna gain and dimensions. Current antennas for CubeSats are mostly dipole or patch antennas with limited gain. Deployable (not inflatable) antennas for CubeSats are currently being investigated, but these solutions are affected by the challenge of packaging the whole deployable structure in a small spacecraft.The work that we propose represents the first attempt to develop an inflatable antenna for CubeSats. Inflatable structures and antennas can be packaged efficiently occupying a small amount of space, and they can provide, once deployed, large dish dimension and correspondent gain. Inflatable antennas have been previously tested in space (Inflatable Antenna Experiment, STS-77). However they have never been developed for small spacecraft such as CubeSats, where the packaging efficiency, the deployment, and the inflation represent a challenge.Our study explores for the first time the possibility of developing such antenna in a way compatible with CubeSat dimensions and constraints. The research provides answers on the possible dimensions for an inflatable antenna for small satellites, on the gain and resolution that can be achieved, and on the deployment and inflation mechanism compatible with CubeSat. Future work in the development of the antenna will include the test of the antenna in flight during a specific technical demonstration mission.The article is structured as follows: context and motivation for Cubesat inflatable antenna are described; then a study to design the antenna which achieves the required performance metrics, while respecting the constraints imposed by CubeSat structure, is presented.     

双层环形可展开天线机构构型优选及结构设计

提出可构成双层环形桁架式可展开天线机构的可展开单元需满足的条件,设计出一种轻量化、高刚度曲柄滑块式可展开单元。建立单元特性综合评价指标,对7种可展开单元进行单元特性评价及优选。对优选出的可展单元的结构尺寸进行优化设计,获得了优化设计参数。设计了20m的大口径双层环形桁架式可展开天线机构,研制含弹性铰链的单层环形桁架式可展开天线机构与双层单元机构原理样机,对两种样机的展开功能和重复展开精度进行测试,验证了提出的可展开机构单元及大口径天线机构设计的正确性和可行性。     

航天器可展开薄膜遮光罩机械设计的发展与展望

从可展开薄膜遮光罩的几何构型、展开驱动技术、薄膜折痕设计和薄膜褶皱动力学分析四个方面论述了航天器可展开薄膜遮光罩机械设计的发展现状和特点，在分析比较的基础上对可展开薄膜遮光罩机械设计的发展趋势进行了展望，旨在为航天器可展开薄膜遮光罩的创新发展提供参考。     

基于星历和回波的分布式卫星SAR系统沿航迹基线计算方法

针对分布式卫星SAR系统中混合基线和雷达斜视导致沿航迹基线难以精确计算的问题,提出了一种基于星历和回波数据的沿航迹基线计算方法。在将分布式卫星航迹补偿为平行航迹的基础上,建立了存在混合基线及雷达斜视条件下的观测几何模型,推导了沿航迹基线的计算公式。根据雷达回波数据估计多普勒中心频率,并由此得到计算沿航迹基线所需的斜视角。在空间基线较长、斜视角较大条件下,该方法相比近似计算方式而言,能获得高精度的沿航迹基线估计。仿真结果表明,用该方法计算得到的沿航迹基线长度作为测速定位的基线参数,可以获得高精度的动目标测速定位结果。
     

空间可展结构卷尺铰链的设计与分析

卷尺弹簧是形状类似钢卷尺的一种构件,是一种单层开口柱面壳。可以利用其壳体屈曲性能,设计和研制出一种铰链结构。这种铰链结构具有独特的力学性能,它可以利用折叠时积聚的弹性应变能实现结构的自动展开而不需要其它的动力装置;在展开之后,又能够靠自身的刚度提供大型可展结构所需的锁定力,而不需要另外加设锁定装置。这种铰链可用于大型航天可展结构中,如可展的太阳翼等。     

Space experiments of deployable boom and umbrella test satellite (DEBUT)

This paper describes the results of the in-orbit performance testing of deployable and retractable umbrella and boom systems, which will be used as important subsystems of Boomerang/Tether satellites. The umbrella is one of the possible candidates of the aerodynamic braking system for boomerang satellite and the boom is also one of the possible candidates of relative position adjusting mechanism between center of mass and aerodynamic force center of the boomerang satellite and initial release/final recovery mechanism of the tethered satellite. For this technology verification, a small and inexpensive satellite, named DEBUT (Deployable Boom and Umbrella Test satellite), was developed in a short period of 1.5 years elapsing from the start of the detailed design until the launch of the mission. The lithium dry cell batteries were used as the primary power and functioned normally during 10 days mission lifetime.     

扭簧驱动构架式空间展开天线结构分析

首先仔细分析了扭簧驱动构架式空间展开天线结构的工作机理与构造特点，据此提出分析建模假设。采用静力缩减方法，由平面梁单元弯曲平衡方程推导出两端扭簧的杆件宏单元缩减刚度矩阵。根据梁的弯曲理论和位移形函数，直接导出宏单元的相容一致质量矩阵，这两个矩阵可用于这类结构在各工况下的结构特性分析。最后给出了一个数值分析算例，证明方法的有效性。     

射频电缆低温扭转阻力矩对卫星展开锁定机构的影响

针对射频电缆在低温环境下扭转阻力矩增大给某卫星展开锁定机构可靠性带来的不确定影响,文章首先对射频电缆低温扭转阻力矩进行测试试验,之后分析了该阻力矩对展开锁定机构静力矩裕度的影响;在此基础上对机构的设计方案进行改进,并通过仿真分析,验证了改进后机构能够可靠展开,展开时间、冲击力矩等指标满足卫星总体要求。