提出充氣式桁架展開大尺度太陽能陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,具有熱固化復(fù)合材料充氣鉸實(shí)現(xiàn)高效折疊收攏,以及展開后提高結(jié)構(gòu)剛度的特性。研制了原理樣機(jī),并進(jìn)行了地面展開試驗(yàn),驗(yàn)證了充氣展開及其充氣式桁架的性能�？烧归_桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特色是將可折疊充氣支撐管與剛性碳纖維桿相結(jié)合使用,減少熱功耗并提高結(jié)構(gòu)剛度。考慮可展開桁架的腹管設(shè)計(jì)以及材料固化前后對大尺度結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響,對太陽能陣列的半結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模,并采用BlockLanczos法求解結(jié)構(gòu)的模態(tài),計(jì)算分析了不同激勵(lì)位置時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的充氣式桁架展開大尺度太陽能陣列采用熱固化方法,能實(shí)現(xiàn)大尺度結(jié)構(gòu)從柔性大轉(zhuǎn)動(dòng)展開向高剛度結(jié)構(gòu)特性的改變;且對低頻結(jié)構(gòu)具有振動(dòng)抑制效果,其振動(dòng)響應(yīng)能受到激勵(lì)幅值和載荷的影響,并顯著改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能。 

【文章來源】：機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2020,56(05)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

太陽能陣列的相鄰基板結(jié)構(gòu)組成

大尺度充氣桁架式太陽能陣列的展開是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，如果這個(gè)柔性折疊桁架不能展開基板，或不能展開為三維空間桁架，那么在軌任務(wù)是不能實(shí)現(xiàn)的。本文將陣列以衛(wèi)星本體為中心設(shè)計(jì)為兩組，兩側(cè)對稱向外同步展開，每組基板的短邊與兩個(gè)充氣鉸，長邊上由兩鉸鏈連接。首先對基板兩側(cè)熱固化充氣鉸進(jìn)行加熱，加熱到第一個(gè)Tg，然后啟動(dòng)減壓閥通過7.2 MPa氣瓶分別同時(shí)向充氣鉸內(nèi)充氣，該段充氣鉸內(nèi)壓力增強(qiáng)，體積膨脹產(chǎn)生的力矩，促使第一折開始剝離管壁粘扣，逐漸有序展開(圖2a～2d)。第一折完全展開后，超過臨界壓力，第二個(gè)充氣鉸開始充氣、壓力增加體積膨脹，依次展開后續(xù)基板(圖2e、2f)，然后兩側(cè)基板都展開到位(圖2g)，最后用另一高壓氣瓶對桁架充氣，充氣式支撐主管，以及充氣式斜腹管和橫管帶動(dòng)碳纖維桿逐步展開，形成三維穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)(圖2h)。當(dāng)展開完畢后，采用電加熱與光照結(jié)合策略加熱至第二個(gè)Tg溫度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長久支撐。因?yàn)閳D2展開設(shè)計(jì)方案是變質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)展開，即收攏部分被充氣展開減少一塊基板，所以收攏部分展開到位的瞬間將對整個(gè)衛(wèi)星本體產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)的沖擊力矩。由于沖擊力矩與時(shí)間和展開角速度有關(guān)，本文假設(shè)每個(gè)展開單元(每塊基板(8.1 kg)和每個(gè)展開桁架單元(約1.4 kg))是均質(zhì)的，即質(zhì)量m=9.5kg，寬度l=2.35 m。據(jù)試驗(yàn)觀察，假設(shè)展開到位瞬時(shí)沖擊作用時(shí)間?t=0.8 s，衛(wèi)星本體簡化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，依據(jù)質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量矩定理，計(jì)算三種不同展開角速度時(shí)的沖擊力矩Md

圖3為基板展開過程中沖擊力矩變化，結(jié)果表三種情況下均為第16塊基板展開時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大沖擊力矩。當(dāng)展開角速度為0.02 rad/s時(shí)，最大沖擊力矩為338.5604 N?m；角速度為0.04 rad/s時(shí)最大沖擊力矩為677.1208 N?m，角速度為0.06 rad/s時(shí)最大沖擊力矩為1015.681 N?m。為了說明充氣展開方案可行性，試制了10塊厚度10 mm薄板，每塊板的面積58 cm×30 cm，基板的上下兩側(cè)通過直徑60 mm的充氣管(替代材料)，該管外壁有兩個(gè)平行間斷分布的粘扣進(jìn)行展開力和次序的控制。基板的背面設(shè)計(jì)有充氣式桁架，10塊板完全展開后，對充氣式桁架進(jìn)行充氣，形成三維結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的面外彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。試驗(yàn)展開組圖如圖4所示。

【參考文獻(xiàn)】：
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