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1、38中国空间科学技术2014年12月ChineseSpaceScienceandTechnology第6期空间伸展臂的技术现状与难点周思达周小陈(北京理工大学,北京100081)摘要空间伸展臂是一类最基本的空间可展开结构,是大型复杂空间结构的基础,对迅速发展的空间活动有着十分重要的研究意义。文章总结并介绍了不同结构形式空间伸展臂的研究与应用情况,根据各方面性能进行了较为全面的对比分析,并从力学、材料、空间环境影响、振动控制几方面深入分析了空间伸展臂设计和应用的技术难点,初步探讨了空间伸展臂的发展方向,从而为空间伸展臂的设计、选型和分析提供必要的支持。关键词发展
2、现状;技术难点;力学;材料;空间环境;振动控制;空间伸展臂DOI:10·3780/·jissn·1000-758X·2014·06·0061引言近年来,随着太空探索、对地遥感、海洋勘探和军事侦察等空间活动的迅速发展,以及空间结构大型化、复杂化的势态,对轻质、高刚度、高精度、高稳定性、高收纳率的空间可展开结构的需[1]求越来越迫切。空间伸展臂是一类最基本的空间可展开结构,主要呈一维线性体系,是构建大型复杂空间结构的基础,也是目前研究与应用较活跃的领域。空间伸展臂在各种太空探测活动中有着重要作用,能够满足展开式太阳电池阵、空间机械臂、大型可展开天线等展开构件的需求
3、,可广泛应用于空间平台、深空探测装置及各种科学试验卫星上。当航天器进入指定轨道后,空间伸展臂由起初的收拢状态逐渐展开,并将有效载荷支撑到指定的位置。空间伸展臂作为一个柔性部件,其结构参数对整个航天器系统的动力学特性影响十分显著。同时,在工程应用中,为使航天器系统更优,选择或设计合适类型的空间伸展臂也十分重要。因此,掌握各种空间伸展臂的特点、难点和发展趋势将为空间伸展臂的设计、选型与分析提供必要的基础和支持。2不同结构形式空间伸展臂的研究与应用按照结构形式,空间伸展臂主要分为以下几种:铰接桁架式伸展臂、薄壁管式伸展臂、套筒管[2]式伸展臂、盘绕式伸展臂、充气式伸
4、展臂及张力集成体系伸展臂等。不同结构形式的空间伸展臂具有不同的力学特性、技术要求和应用领域。北京理工大学基础研究基金(20120142009)资助项目收稿日期:2014-03-20。收修改稿日期:2014-09-042014年12月中国空间科学技术392·1铰接桁架式伸展臂铰接桁架式伸展臂是一种展开为格柱状桁架的线性展开装置。相比于其他结构形式的空间伸展臂,这种结构具有更高的结构强度和刚度,几何扩展和设计灵活,且重复展开精度高,在太空中应用最为广泛。铰接桁架式伸展臂结构形式多样,主要有:可折叠铰接式伸展臂(FoldingArticulatedSquareTru
5、ssMast,FASTM)、索杆铰接式伸展臂(AbleDeployableArticulatedMast,ADAM)和剪叉式(Scissor-Like-Element,SLE)伸展臂。其中ADAM和FASTM的纵杆数目通常为3根或4根,相应为三角形桁架和四边形桁架,但其展开和折叠原理相似,故下文仅以四边形桁架的伸展臂为例进行介绍。(1)可折叠铰接式伸展臂(FASTM)FASTM的结构单元由横杆、纵杆、斜拉索和[3-5]铰构成,如图1(a)所示。纵杆中点处有可以向外转动的铰,从而实现折叠;横杆有刚性杆和弹性弓形杆两种,其中连接两个铰的是弹性弓形杆,纵杆折叠时使弹
6、性弓形杆弯曲储能;侧平面的对角线有两组斜拉索,增加伸展臂的扭转和剪切刚度。伸展臂折叠时,弹性弓形杆变弯,一个方向上的拉索松弛,另一个方向上张紧,如图1(b)所示。伸展臂展开过程中,储存在弹性弓形杆中的应变能释放,直至伸展臂完全展开,从而形成稳定体系。展开过程中的伸展臂分为稳定的展开段和折叠段及不稳定的过渡段,如图1(c)所示。由于过渡段是非稳定性体图1FAST伸展臂原理[3,6]系,所以该区段及折叠段收于收藏筒内。Fig·1PrincipleoftheFASTmasts美国ATK航空航天系统集团和NASA对[7]FASTM的研究已经相当成熟,不仅通过有限元分析
7、了FASTM的强度、刚度和结构动力学响应等力学特性,得到了不同材料参数和结构参数下FASTM的性能变化,并通过大量试验进行了验证。ATK研制的FASTM已成功应用在国际空间站上,用于支撑太阳翼,每个伸展臂可以根据需求进行展开和收缩,直径为1·09m,完全折叠长度为2·30m,展开长度34·75m,收拢率为6·6%。俄罗斯已将可折叠铰接式三角形桁架伸展臂应用于“和平号暠空间站上。(2)索杆铰接式伸展臂(ADAM)ADAM(见图2)由纵杆、横杆、斜拉索和球铰构成。相比于FASTM,它没有弹性弓形杆,全部采用刚性杆,并且在每个结构单元的侧面装有一对交叉形的拉索。它比
8、FASTM更长,且强度和刚度更大。AD
