[科普中國(guó)]-空間可展結(jié)構(gòu)

概念定義

“展開結(jié)構(gòu)”與“折疊結(jié)構(gòu)”2個(gè)概念不完全一致：一個(gè)結(jié)構(gòu)可展開并不一定意味著可折疊；反之亦然。但此處所說(shuō)的“展開結(jié)構(gòu)”與“折疊結(jié)構(gòu)”，具有對(duì)等的含義，兩者可以互換，同時(shí)也泛指“展開折疊結(jié)構(gòu)”。因此，展開結(jié)構(gòu)一詞實(shí)際可能指展開結(jié)構(gòu)、折疊結(jié)構(gòu)，或可展開折疊結(jié)構(gòu)。單一單次任務(wù)型航天器僅需展開，勿需收攏返回或多次伸展，可稱單純展開結(jié)構(gòu)?？啥啻握郫B展開體系，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

空間可展結(jié)構(gòu)一般含有主動(dòng)控制元件或被動(dòng)控制元件，能對(duì)周圍環(huán)境自動(dòng)作出響應(yīng)，由控制器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自我調(diào)整，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性態(tài)，因此又稱自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。雖然空間可展結(jié)構(gòu)通常是自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，且空間可展結(jié)構(gòu)必須具備完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)才能滿足高精度的要求，但兩者研究重點(diǎn)不同。展開折疊結(jié)構(gòu)研究強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)體系、展開運(yùn)動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)分析等。表示展開、折疊的英澤詞主要有Deploy，Extend，Unfold；Retract，Stow。自適應(yīng)結(jié)構(gòu)研究強(qiáng)調(diào)自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，包括主動(dòng)控制和被動(dòng)控制，主要是控制理論的研究與主動(dòng)控制元件(Activator)的設(shè)計(jì)開發(fā)。自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可根據(jù)周圍環(huán)境的激勵(lì)，自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，使結(jié)構(gòu)維持設(shè)計(jì)者所要求的狀態(tài)。自適應(yīng)的英澤詞主要有Adaptive，Smart，Intelligent。1

分類空間可展結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了40余年，為滿足苛刻的空間環(huán)境條件與特殊任務(wù)需求，涎生了豐富多彩而新穎的結(jié)構(gòu)形式。下面按展開驅(qū)動(dòng)源和結(jié)構(gòu)體系對(duì)其進(jìn)行分類概括。1

按展開驅(qū)動(dòng)源可分類(1)微電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在結(jié)構(gòu)上分散或集中布置微電機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)主動(dòng)件或通過(guò)傳動(dòng)使機(jī)構(gòu)展開或折疊。根據(jù)電機(jī)布置和機(jī)構(gòu)特性，可使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步或異步動(dòng)作。該方式應(yīng)用廣泛，如HCDA、RRA、Muses-V、SFU等。

(2)彈簧(扭簧、拉簧)元件驅(qū)動(dòng)。在機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)或桿件中點(diǎn)處按特定要求設(shè)詈彈簧元件，折疊時(shí)彈簧受預(yù)應(yīng)力存貯彈性變性能；當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后，彈簧釋放彈性能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)同步展開。空間大型展開桁架結(jié)構(gòu)多采用這種方法，如俄羅斯航空航天局的TKCA系列、美國(guó)NASA研制的Creorruss和Pactruss。

(3)自伸展驅(qū)動(dòng)。結(jié)構(gòu)的一部分構(gòu)件、某些特定構(gòu)件的中點(diǎn)、整個(gè)結(jié)構(gòu)元件，由記憶合金、自適應(yīng)智能元件等構(gòu)成，使其在特定環(huán)境下可按設(shè)計(jì)要求自動(dòng)展開。如美國(guó)NASAJPL和MIT開發(fā)的整體展開應(yīng)用技術(shù)。

(4)其他驅(qū)動(dòng)。除以上展開驅(qū)動(dòng)方式外，還有NASA、ESA研制的充氣式展開結(jié)構(gòu)(1RSS)，利用材料彈性回復(fù)變形展開的纏繞肋(Wrapped-Rib)、盤繞式伸展臂(CoilableMast)，以及由主動(dòng)器控制的操作臂(機(jī)械手)。1

按結(jié)構(gòu)體系分類(1)單元構(gòu)架式可展開天線。天線背架為可展開桁架結(jié)構(gòu)，而且由一致的桁架單元(TrussModular)構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)單元形式多樣，可滿足各種復(fù)雜幾何設(shè)計(jì)、剛度、精度、重復(fù)性、收納率的要求，主要有四面體單元、六面體單元、三棱柱單元、六棱柱單元等。

(2)肋類支承可展開天線。天線由各種高剛性支承臂(肋)作為主要支承結(jié)構(gòu)，與背撐索網(wǎng)、面索網(wǎng)、調(diào)節(jié)(連接)索網(wǎng)與反射索網(wǎng)形成張力結(jié)構(gòu)體系。質(zhì)輕、收納率及展開可靠性較高，但剛度、可重復(fù)性精度、反射面利用率與饋電性能稍差。支承肋主要有徑向肋、纏繞肋、各種高剛性伸展臂(盤繞式、鉸接式伸展臂)等。

(3)其他可展開結(jié)構(gòu)形式。除上述可展開天線外，還有諸如充氣式天線(IRSS)、環(huán)柱式天線(HCDA)、整體展開天線、平面陣天線、變幾何臂(VGT)、空間平臺(tái)等。1

我國(guó)研究發(fā)展1970年4月24日，我國(guó)東方紅一號(hào)發(fā)射成功，標(biāo)志著我國(guó)步人了航天飛行器應(yīng)用的新時(shí)代。但由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)較落后和對(duì)空間可展結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的滯后，在這一領(lǐng)域的研究起步較晚，至20世紀(jì)90年代初才開始進(jìn)行空間可展結(jié)構(gòu)的應(yīng)用技術(shù)和理論研究。

目前我國(guó)的衛(wèi)星尚屬于小到中型平臺(tái)衛(wèi)星之列，對(duì)空間可展結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用需求較低，受制于此也難以使工作平臺(tái)“大型化”。風(fēng)云一號(hào)第一次使用了對(duì)稱的4塊太陽(yáng)帆板，平臺(tái)兩側(cè)各2塊，人軌后展開，工作正常，屬“鉸接展開”。歷時(shí)多年研制成功的東方紅三號(hào)取得了一系列技術(shù)突破，其天線口徑為2．5 m拋物面，它與衛(wèi)星平臺(tái)之間可實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)云二號(hào)的成功發(fā)射更標(biāo)志著我國(guó)空間可展結(jié)構(gòu)技術(shù)的重大進(jìn)步，盡管其技術(shù)還處于初步階段。

根據(jù)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，新一代科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星和空間站、空間平臺(tái)等，都需要口徑5-10m、以至于20m左右，工作頻率2．0-22．0GHz的大型空間可展天線系統(tǒng)。但由于運(yùn)載工具有效載荷艙必須是空間可展體系，而我國(guó)在這方面還比較落后，為此，我國(guó)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)相繼開展了一系列前瞻性研究，并取得了一批重要的成果，但目前尚無(wú)大型復(fù)雜空間可展結(jié)構(gòu)付諸應(yīng)用。1