折纸技术，让太空盛开“太阳花”——NASA研制可折叠的太阳能板

太阳能板是太阳能发电系统中的杨心部分,也是太阳能发电系统中最重要的部分。在太空中,太阳能板源源不断的吸收能量,供给卫星、航天器的运行,未来还可能采集太阳能量,之后传输至地面。然而单体太阳电池必须以组件方式提供电源,这就使得太阳能板向太空的运输形成了新问题,不过,最近科学家将古老的折纸技术应用于太阳能板上,赋予了运送太阳能板进入太空的新方式。     

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。     

面向空间折展机构的刚性折纸研究现状与展望

刚性折纸是折纸领域中一个非常活跃的分支,在折展时可以实现二维与三维的连续变换且折痕以外的面板内部无应变,适用于多种刚性折展机构。基于刚性折纸构型衍生的空间折展机构具有形面精度高、折展比大和自由度数量少等特点,可以满足航天工程对空间折展机构大尺度、轻量化以及高精度的需求。针对未来发展趋势,概述了刚性折纸几何设计及运动学基础,阐述了目前与空间折展机构相关的刚性折纸的典型构型,重点介绍了各种构型的特点及相关研究进展。根据折痕的复杂程度,从不同刚性折纸构型出发,综述了面向空间折展机构的刚性折纸的应用及研究现状;从构型创新设计方法、厚板化设计方法、动力学特性分析方法、机构智能化设计方法和微重力卸载方法5个方面展望了基于刚性折纸的空间折展机构未来的发展方向及研究重点,旨在为大型空间折展机构的基础研究和工程应用提供借鉴与参考。     

厚板三浦折展机构的几何设计与运动分析

空间折展机构与一般运动机构不同,其对构件的几何形貌有着严格的要求。基于厚板折纸理论构造出两种三浦厚板折展单元——Bennett机构单元和球面四杆机构单元,在保证机构可以从展开状态运动到收拢状态且不发生物理干涉的前提下,以折展单元可无限次叠加组网为设计目标,分析构件几何参数应满足的约束条件,阐述模块化组成大尺度厚板三浦折展机构的原理和过程,提出Bennett组网和混合组网两种模块扩展方式。通过建立Bennett扩展模块和球面扩展模块的运动学模型,验证两种厚板三浦折展机构的运动等价关系。研究不同几何参数对机构折展率的影响规律,提出一种根据给定折展率要求对机构进行优化设计的方法,为厚板三浦折展机构的运动特性分析和几何参数优化奠定了理论基础。     

单顶点多折痕折纸形式启发的空间折展机构

针对一些特定功能小卫星需要可展式的功能结构,如可展天线、可展太阳能电池阵列,提出一种单顶点多折痕折纸形式启发的空间折展机构。展示了用于设计该机构的机构构型,研究发现此种构型不仅可将平面结构进行折展,也能将可包络回转曲面的锥形结构进行折展。进而提出了用于机构设计的几何模型及为快速判断机构的几何尺寸是否满足设计要求的近似几何模型。通过算例及仿真校验,发现近似几何模型可以进行快速判断。同时该机构具有较高折叠效率,适用于尺寸约束严格的小卫星。     

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。     

基于折纸技术的组合型缓冲气囊设计及仿真

为了改善传统圆柱缓冲气囊的缓冲性能,文章基于折纸技术,设计并研究了一种新型组合型缓冲气囊。基于解析模型,设计了气囊的几何尺寸、初始压力、卸载压力及排气口等;基于控制体积法建立了返回器和组合型缓冲气囊的有限元分析模型,仿真得到了缓冲过程的动力学行为,并对组合型缓冲气囊的缓冲特性进行了分析。和传统圆柱缓冲气囊对比,新型组合型缓冲气囊的最大过载为5.95gn,将返回器的过载降低了39.6%。研究了组合型缓冲气囊在复杂环境下的缓冲性能,探究了非水平着陆面、有风环境、地面障碍等对缓冲过程的影响机理。结果表明：缓冲气囊具有良好的缓冲性能,适用于复杂着陆环境,为大载重返回器的软着陆缓冲系统设计提供技术支撑。     

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。     

基于折纸的大型空间薄膜遮阳结构设计与分析（英文）

提出了一种轻质、展开顺畅、收纳比高且不需要额外驱动动力的新型自展开薄膜遮阳结构。利用4根等长的带状弹簧驱动叶内环绕折叠的聚酰亚胺薄膜，并计算了收纳比。为了防止薄膜在展开过程中出现钩挂和破损的问题，对薄膜展开的轨迹、薄膜的应力分布以及带状弹簧骨架的模态分布进行了有限元仿真，并制作了测试样机以验证设计的可行性。结果显示，利用带状弹簧驱动薄膜展开，展开过程顺利，带状弹簧展开时的冲击不会造成薄膜损伤，薄膜折痕处的最大应力约为42.3 MPa，低于材料的许用应力，且收纳比达到了69.4。