铰链展开式构型航天器设计及其动力学仿真

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1、2010年12月中国空间科学技术49第6期ChineseSpace5cienceand1echnology铰链展开式构型航天器设计及其动力学仿真马尚君刘更罗浩(西北工业大学机电学院。西安710072)摘要基于航天器结构的模块化设计概念，设计了一种空间可展开航天器模块化结构构型，即铰链展开式构型。利用虚拟样机技术，建立了模块化本体和太阳翼虚拟样机模型。在空间失重环境下，分析了模块化本体和太阳翼在3种展开顺序下(本体各模块和太阳翼同时展开、太阳翼先展开本体各模块后展开和本体各模块先展开太阳翼后展开)对航天器姿态的影响，同时对比了不同扭簧参数对姿态角和展开

2、时间的影响。仿真结果表明该模型可为未来高机动、多型态、多用途自适应变构型航天器的设计以及空间姿态控制提供技术支持和借鉴。关键词模块化设计铰链连接展开机构太阳翼姿态控制动力学仿真航天器设计1引言随着空间科学技术的发展，模块化的航天器结构由于能有效降低发射成本。缩短设计、制造、装配及地面试验时间，实现快速机动响应等特点，近年来被广泛应用于各类航天器结构设计中。如Aero／Astro公司的SMARTBus⋯、基于SMARTBus的SCoUT(Small，SmartSpacecraftForObservationAndUtilityTasks)[2]和FEB

3、SS(TheFlexibleAndExtensibleBusForSmallSatellite)【3]，这类航天器的模块结构均采用多边形构型，将具有不同功能的模块通过标准的机械、电、热接口连接，发射时采用线性堆栈可充分利用整流罩空间，解决了传统航天器结构设计中结构形式单一，内部空间利用率低，所需整流罩包络空间较大的问题。但也存在以下问题：1)采用线性堆栈构型单一，推进模块和天线设备必须安装在两端的模块中，才能在轨展开工作；2)堆栈不能随意扩大，因为整个装配体的转动惯量会因为额外增加的模块而变得越来越病态，同时线性结构在空间较难控制。基于解决以上问题，

4、空间可展开的模块化航天器结构设计成为目前国内外研究的热点。已有文献报道的空间可展开的模块化航天器结构有Hexpak[4-s]和PETSAT(PanelExtensionSatellite)【6-引，文献[43详细介绍了Hexpak的堆栈及展开构型，并描述了各模块的连接机构：铰链和锁销的设计思想I文献[5]对Hexpak的展开机构进行了测试，验证了其可行性；文献[6]对PETSAT的展开机构和各种接口设计进行了详细论述，文献[7]设计了PETSAT的推进系统并进行了性能评估。以上文献仅对空间可展开的机构和各类接13进行了大量研究，对此类构型在空间展开时

5、对航天器姿态的影响却未见文献报道。本文基于模块化设计思想，建立了一种铰链连接的、支持在空间展开的航天器构型。分析了扭簧刚度和阻尼对姿态和展开时间的影响。仿真结果可为空间展开航天器设计及姿态控制提供参考，同时，可展开构型也为模块化航天器的发展奠定了基础。收稿日期I2010—04-13．收修改稿日期t2010—06—1850中国空间科学技术2010年12月2铰链展开式航天器结构设计2．1铰链展开式航天器系统模型铰链展开式航天器由两大部分组成，一部分是模块化本体，一部分是太阳翼，如图1所示。模块化本体由5个模块组成，模块尺寸为1500mm×1500mm，高

6、度可根据设备所需空间灵活设定，高度增量设计为50mm，考虑到结构对称性，将图1中高度较大的模块安装在中间，各模块可根据需要灵活布置。每个模块内部可根据任务需要安装不同的设备和仪器，设备和仪器同样均采用即插即用的模块化设计，其布局如图2所示。各模块上设有定位销，用于空间展开后定位，也可通过销头与销孔的连接实现电、热连接。同时考虑到降低模块质量，提高整流罩空间利用率，将每个模块的四角切去适当尺寸。每侧太阳翼由4块刚性板组成，单块尺寸为1750ram×1500ram×30mm，太阳翼释放前折叠起来，相互平行，固定在航天器本体上，呈折叠状态；当航天器系统进入

7、轨道，爆炸螺栓释放后，靠安装在各个铰链上的扭转弹簧驱动，两侧太阳翼同步展开。航天器各模块及太阳翼板质量特性如表1所示。图1铰链展开式航天器构型Fig．1Theconfigurationofthehingeddeployablespacecraft图2模块内设备和仪器布置Fig．2Thecollocationofequipmentandapparatusinthemodule表1航天器各模块和太阳翼质量特性Tab．1Themasscharacteristicofthespacecraffsmodulesandsolarpanels完全展开后的铰链展开式

8、航天器构型及其坐标方向如图3所示，其中．17方向与展开后的各本体模块平行，Y轴与展开后太阳翼平行，z轴垂直于