空间光学精密展开机构展开方法的初步探讨

文章对空间光学精密展开机构(以下简称展开机构)进行分类,分析了几种典型可展开空间光学系统的展开方法和特点。讨论了展开机构设计需要考虑的主要因素,并给出设计建议。     

绳索断裂对二维二次太阳翼展开过程影响分析

为识别二维二次太阳翼关键环节和预示其在轨展开故障模式，开展不同位置绳索断裂失效对太阳翼展开的影响程度分析。采用考虑绳索断裂的绳索联动轮力学模型，建立了适应于不同联动轮半径的联动轮受力模型，提出角度触发约束消除方法，解决了太阳翼第2次展开过程连续仿真问题，建立了太阳翼第2次展开动力学方程，分析了不同位置绳索断裂失效对太阳翼各板展开角度、展开构型和其他绳索张力的影响。分析表明，越靠近星体的绳索联动机构失效对太阳翼展开过程的影响越大，其中连接架上绳索联动机构失效可直接导致二维二次太阳翼在轨展开失败。     

球铰接杆式支撑臂构型参数分析

论述了球铰接杆式支撑臂的组成和主要构型参数。利用有限元分析软件建立了球铰接杆式支撑臂有限元模型,进行了模态分析并与试验结果进行了对比,验证了模型的正确性;分析了单元段跨距、套筒半径、横向框架边数和斜拉索预紧力对支撑臂性能的影响。结果表明单元段跨距的增加有利于支撑臂总体性能的提升,而套筒半径和横向框架边数的增加能提高支撑臂刚度但同时增加了系统总质量。斜拉索预紧力应从最小允许预紧力和球铰取得最大刚度值时对应的预紧力中选取较大值。分析结果为支撑臂的工程设计提供了依据。     

模块化空间可展开天线支撑桁架结构的热-结构分析

对模块化空间可展开天线支撑桁架结构进行空间热交变环境下的热 结构分析,为天线结构因热致变形影响形面精度和网面稳定性提供合理的防护建议。采用ANSYS APDL有限元软件建立了大口径模块化空间可展开天线支撑结构的精细化数值模型,基于已有试验分别验证了模块化可展开天线结构有限元建模和热分析模型的正确性;分析了在瞬态温度场作用下约束位置等参数对支撑桁架弦杆及拉索应力的影响和热致变形规律。研究结果表明：空间可展开天线结构的应力和变形随时间历程发展与瞬态温度场变化趋势基本一致;同一瞬态温度场下,天线结构中心模块拉索热应力最大,同圈模块的弦杆热应力幅值基本相同,其上弦杆热应力逐圈增大,而拉索热应力逐圈减小;天线结构热致变形在距离约束最远端处整体累计值最大,上层中心点处累计热致变形可达15mm左右,对天线形面精度的影响不可忽略;将天线支撑桁架结构最外侧且距离结构中心最近的模块顶角和与相邻模块竖杆拼接处作为星载天线伸展臂约束时,天线结构的热致变形最小。将该处作为模块化空间可展开天线的展开支点,并建议对天线支撑结构表面采用涂刷隔热防护复合材料涂层等防护措施,以增加天线结构在太空极端环境的适应性,从而减小温度交变对天线整体形变和网面精度的影响。     

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

模块化核动力航天器设计及其关键技术

为提高核动力航天器关键技术的可继承性与可扩展性,缩短核动力航天器研发周期,降低研发成本,本文通过总结国外核动力航天器发展现状,梳理核动力航天器研制特点,结合模块化航天器概念及设计原则,首次提出模块化核动力航天器概念。将核动力航天器分为核电源模块、平台中心模块、载荷模块3大独立模块,并针对体系架构设计提出3层建设方案,针对模块化核动力航天器梳理关键技术难点,为后续项目研究提供应用参考。     

基于金星探测机械展开式进入飞行器技术述评

传统的金星进入飞行器存在弹道系数高、热流密度高、过载大等缺点,对热防护系统和设备的要求比较严苛。针对金星探测的任务需求,美国提出了一种基于机械展开式结构的金星进入飞行器,该飞行器发射时处于折叠状态,进入时展开形成较大的气动面,可以显著地降低弹道系数、热流密度、过载等。文章介绍了该飞行器的结构组成和展开过程,对机械展开式进入飞行器的研究现状进行了介绍,重点对比了机械展开式进入飞行器与传统形式的不同,通过对构型、工作流程、效果的对比,可以看出机械展开式进入飞行器在金星探测上具有很大的优越性,最后对其优势进行了总结,并提出了未来需要研究的问题。     

空间站大型伸展机构的运动稳定性分析

从空间站大型伸展机构的运动特点和系统动力学方程出发，着重分析了该系统的稳定性判据。这一问题又可分为五个方面：姿态-伸展-振动耦合系统的分析方法，复杂大系统的分解集结方法，时滞系统和滞后系统的稳定性问题，Stick-Ship运动对系统对系统稳定性的影响，非线性非定常系数稳定性的一般解。其中还对接触、摩擦、碰撞问题，变拓扑系统，非光滑动力学系统等进行了专门的研究，分析了Lyapunov指数方法在这些特殊系统中的适应性。本文对空间站大型伸展机构的稳定性问题进行了较全面的分析，指出了目前在处理这类复杂大系统时存在的一些难点问题，为其设计和研制工作提出了理论基础。     

构架式可展天线机构自由度分析——拆杆等效法

针对四面体构架式可展天线机构的多环耦合特性,提出了一种空间多环耦合机构的自由度分析方法——拆杆等效法。首先拆除四面体基本可展单元机构的耦合约束链,将剩余部分视为一个并联机构,然后应用螺旋理论分析各输出节点的自由度数目及性质,进而构造各输出节点与定节点之间的等效串联运动链,最后复原拆除的耦合约束链得到四面体基本可展单元的等效机构,应用修正的G-K公式计算等效机构的自由度数目,并基于反螺旋理论分析等效机构的自由度性质,从而获得四面体基本可展单元的运动特性。根据四面体基本可展单元的等效机构及其组合方式对最小组合单元及大尺寸构架式可展天线机构的结构进行了化简,并根据其几何特征约束方程推导了最小组合单元及大尺寸构架式可展天线机构的自由度。建立了由27个四面体基本可展单元组成的构架式可展天线机构的仿真模型,对该机构的自由度进行了验证,结果表明提出的拆杆等效法求得的自由度正确,为进一步分析此类天线机构的运动学和动力学奠定了基础,同时为其他类型的空间多环耦合机构的自由度分析提供了一种新的思路。     

基于降维算法和等效杆长的可展结构精度分析

考虑铰链间隙和杆件尺寸误差的不确定性并通过概率统计方法对其进行研究,提出了一种基于单变量降维算法(UDRM)和等效杆长模型的可展结构精度分析方法。利用UDRM将可展结构的精度性能函数解耦为多个杆件尺寸误差的独立作用形式,建立精度分析模型。引入等效杆长模型,等效杆件替代原杆件进行精度计算。将铰链间隙与原始杆件尺寸误差合并到等效杆件的尺寸误差中,同时证明了等效杆长尺寸误差近似服从正态分布。以某卫星可展开天线为算例,结合高斯求积公式求解展开状态下精度指标的分布期望和方差。通过与蒙特卡罗模拟(MCS)和一次二阶矩(FOSM)法计算结果的对比验证了本文精度分析方法的正确性和高效性。