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。     

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。     

轻质复合材料夹芯结构设计及力学性能最新进展

从设计、制备和力学性能方面对轻质复合材料夹芯结构的最新研究成果进行总结,包括复合材料点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构以及蜂窝夹芯结构对应的拓扑构型设计和制备工艺,重点从力学性能的理论预报、力学性能实验表征和失效模式分析等角度评述了性能改进的最新研究。通过对轻质复合材料夹芯结构最新研究进展的总结与分析,展望了点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构和蜂窝夹芯结构的发展趋势及可能应用领域。     

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。     

航天器大尺度部件折叠展开原理分析及应用

围绕航天器向大尺度、远距离发展所涉及的大尺度部件在轨展开技术中新工艺、新材料、新结构等，对现有航天器大尺度部件的折展机构进行了统计与分析，系统梳理了在轨航天器折展机构的技术参数、结构与组成等。介绍了折纸艺术、自回弹材料与记忆合金等新工艺、新材料在航天器太阳帆板、天线等大尺度部件上的应用。重点分析并梳理了新型结构的特性及其工作原理，包括：充气展开式、单轴旋转式、径向扩展式、单元重构式、延长伸展式等。最后，结合即将开展的载人登月与月球基地建设、太阳系探测等深空探测任务，对在轨航天器大尺度部件的折展结构与机构的发展趋势进行了展望。     

展开式薄膜遮光罩设计及重复展开精度研究

针对星敏感器的杂光抑制需求，设计了一种可以实现轴向展开的圆柱状展开式薄膜遮光罩，包括充气支撑管、薄膜蒙皮和挡光环，并完成了各构件的结构和材料设计。建立了薄膜蒙皮的运动学模型，分析了构型随着二面角的变化情况，验证了薄膜蒙皮采用hexagonal折纸样式可以完全折叠和展开。通过试验研究了遮光罩的重复展开精度，包括轴向和径向展开精度等。研制了遮光罩原理样机，并开展了地面展开试验，表明在充气支撑管的驱动下能够顺利展开，为大尺寸遮光罩的工程应用提供了新的技术方案。