大型太阳帆薄膜折叠及展开过程数值分析

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1、2014年8月第4期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology31大型太阳帆薄膜折叠及展开过程数值分析黄小琦王立刘宇飞杨辰陈颖(中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京100094)摘要针对深空太阳帆帆面薄膜折叠方式及太阳帆空间展开过程的优化问题，在叶内折叠、叶外折叠方式的基础上，提出了一种斜叶外折叠方式，并通过建立不同的参数模型，利用ANSYS／LS—DYNA有限元软件对5种折叠模型展开过程进行了力学分析。分析结果表明，新提出的斜叶外折叠方式是较适合空间应用的太阳帆帆面折叠方式。太阳帆在空间展开过程中帆面应力与展开速度、折叠宽度等因素相

2、关，帆面与支撑杆连接的顶点区域是整块帆面应力最大的区域，应重点进行加固。研究结果将为大型太阳帆薄膜材料选择及结构设计提供重要依据。关键词薄膜折叠展开；应力分布；数值分析；太阳帆DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2014．04．0051引言太阳帆航天器是指利用太阳在大面积薄膜上的反射光压提供航天器飞行的动力，获得推进力进行宇宙航行的新型飞行器[1]。它在太阳光压作用下可以持续加速，十分有利于进行深空探测。为得到足够的推力，太阳帆航天器需要有很大的面积；为了便于发射，又需要在在轨展开前将其折叠存储到足够小的容积之内，因此太阳帆的折叠和展开方式是太阳帆在轨飞行的

3、关键技术之一r2。3j。2010年5月日本发射的IKAROS成功实现在轨展开和运行，它利用自旋产生的离心力实现薄膜结构的展开，对帆面进行单独折叠[4刮。2010年11月美国发射的NanoSail—D成功进入近地轨道展开邸。]。NanoSail—D的帆面与支撑杆分别折叠，仅在端点处进行连接，有效避免两者在展开时相互干扰。基于以上成功在轨展开的太阳帆帆面的折叠经验，可以将支撑杆的折叠与太阳帆面的折叠分开考虑，并且将支撑杆对帆面的作用理想化为在帆面顶点施加恒定的速度来实现帆面的展开。由于太阳帆帆面薄膜厚度仅几微米，且面积较大，地面展开试验容易受空气阻力等因素的影响，因而采用有限元仿真对

4、帆面展开过程进行研究。柔性结构的展开过程分析主要集中在充气薄膜直管的展开№。]，没有针对太阳帆帆面展开过程的仿真，可借鉴充气薄膜直管的仿真过程研究帆面展开过程的仿真。本文对方形帆帆面的折叠方式进行研究，分析了深空太阳帆帆面薄膜折叠及展开过程的应用要求；提出了一种新的折叠方式——斜,t-夕b折叠方式，然后比较分析了包括斜叶外折叠在内的三种适合于太阳帆面的折叠结构，利用LS—DYNA软件，对不同折叠模型的展开过程进行了仿真分析及比较；并对计算结果进行比较以得到较适合太阳帆面的折叠方式。“十二五”民用航天预先研究项目收稿日期：2013—12—19。收修改稿日期：2014一03一02中国

5、空间科学技术2014年8月薄膜折叠及展开过程要求太阳帆能否顺利展开关系到太阳帆任务的成败，帆面薄膜的折叠及展开方式是太阳帆在太空中应用的一个关键技术。为使太阳帆面能顺利展开，并且尽量减小展开过程对其他机构和帆面造成的影响，对于有支撑杆的太阳帆，对帆面薄膜折叠及展开过程要求如下：1)在帆面4个顶点同时施加拉力时，帆面能沿两个相互垂直的方向同时展开；2)为了使航天器的结构布局紧凑，薄膜折叠之后应满足相应的高度方面的要求；3)在展开过程中，整个帆面上出现明显的应力集中区域越小越好；4)在帆面最大应力没达到薄膜屈服应力之前，帆面展开的程度越大越好；5)折叠可能会对薄膜造成不同程度的损伤，

6、如微屈曲、分层等，因而对于太阳帆面的折叠，折痕长度越短越好u⋯。3薄膜结构折叠方式3．1现有方形薄膜结构折叠方式方形薄膜的折叠方式主要有以下3种：1985年由Miura和Natori共同设计的Miura-ori折叠[11。121，2002年Guest和Defocatiis基于仿生学的单叶折叠结构提出的叶内折叠和叶外折叠方式[13。15I，3种折叠方式如图1所示。日本发射的IKAROS帆面薄膜采用叶内折叠的方式。■!：ii，×州(a)Miura．ori折叠(b)叶内折叠(c)叶外折叠图1方形薄膜3种折叠方式Fig．1Threefoldingpatternsofsquaremembr

7、ane3．2方形薄膜结构斜叶外折叠方式现有方形薄膜的3种折叠方式都是在仿生学单叶折叠结构(见图2)的基础上提出的：Miura—ori折叠是将单叶折叠结构沿叶脉方向平行放置得到；叶内折叠是由4个单叶折叠结构的叶尖沿对角线方向汇集于中心形成；叶外折叠由4个单叶折叠结构叶尖朝外沿对角线方向汇集于中心形成。对单叶折叠结构进行另外一种排列，将4个单叶折叠结构叶尖朝外，叶脉沿方形膜中线方向汇集于中心形成新的折叠结构，称其为斜叶外折叠结果(见图3)。《箬裔图2单叶折叠结构Fig．2Single