[科普中國]-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個概念不完全一致：一個結(jié)構(gòu)可展開并不一定意味著可折疊；反之亦然。但此處所說的“展開結(jié)構(gòu)”與“折疊結(jié)構(gòu)”，具有對等的含義，兩者可以互換，同時也泛指“展開折疊結(jié)構(gòu)”。因此，展開結(jié)構(gòu)一詞實際可能指展開結(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，具有更廣泛的應用前景。

空間可展結(jié)構(gòu)一般含有主動控制元件或被動控制元件，能對周圍環(huán)境自動作出響應，由控制器對結(jié)構(gòu)進行自我調(diào)整，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性態(tài)，因此又稱自適應結(jié)構(gòu)。雖然空間可展結(jié)構(gòu)通常是自適應結(jié)構(gòu)，且空間可展結(jié)構(gòu)必須具備完善的自動控制系統(tǒng)才能滿足高精度的要求，但兩者研究重點不同。展開折疊結(jié)構(gòu)研究強調(diào)結(jié)構(gòu)體系、展開運動特性、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。自適應結(jié)構(gòu)研究強調(diào)自動控制領域的研究與應用，包括主動控制和被動控制，主要是控制理論的研究與主動控制元件(Activator)的設計開發(fā)。自適應結(jié)構(gòu)可根據(jù)周圍環(huán)境的激勵，自動調(diào)整結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，使結(jié)構(gòu)維持設計者所要求的狀態(tài)。自適應的英澤詞主要有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)動源和結(jié)構(gòu)體系對其進行分類概括。1

按展開驅(qū)動源可分類(1)微電機驅(qū)動。在結(jié)構(gòu)上分散或集中布置微電機，直接驅(qū)動主動件或通過傳動使機構(gòu)展開或折疊。根據(jù)電機布置和機構(gòu)特性，可使機構(gòu)實現(xiàn)同步或異步動作。該方式應用廣泛，如HCDA、RRA、Muses-V、SFU等。

(2)彈簧(扭簧、拉簧)元件驅(qū)動。在機構(gòu)節(jié)點或桿件中點處按特定要求設詈彈簧元件，折疊時彈簧受預應力存貯彈性變性能；當機構(gòu)解鎖后，彈簧釋放彈性能，驅(qū)動機構(gòu)協(xié)調(diào)同步展開?？臻g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NASA研制的Creorruss和Pactruss。

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

(4)其他驅(qū)動。除以上展開驅(qū)動方式外，還有NASA、ESA研制的充氣式展開結(jié)構(gòu)(1RSS)，利用材料彈性回復變形展開的纏繞肋(Wrapped-Rib)、盤繞式伸展臂(CoilableMast)，以及由主動器控制的操作臂(機械手)。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，可滿足各種復雜幾何設計、剛度、精度、重復性、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)、空間平臺等。1

我國研究發(fā)展1970年4月24日，我國東方紅一號發(fā)射成功，標志著我國步人了航天飛行器應用的新時代。但由于我國經(jīng)濟較落后和對空間可展結(jié)構(gòu)認識的滯后，在這一領域的研究起步較晚，至20世紀90年代初才開始進行空間可展結(jié)構(gòu)的應用技術和理論研究。

目前我國的衛(wèi)星尚屬于小到中型平臺衛(wèi)星之列，對空間可展結(jié)構(gòu)技術的應用需求較低，受制于此也難以使工作平臺“大型化”。風云一號第一次使用了對稱的4塊太陽帆板，平臺兩側(cè)各2塊，人軌后展開，工作正常，屬“鉸接展開”。歷時多年研制成功的東方紅三號取得了一系列技術突破，其天線口徑為2．5 m拋物面，它與衛(wèi)星平臺之間可實現(xiàn)90°轉(zhuǎn)動。風云二號的成功發(fā)射更標志著我國空間可展結(jié)構(gòu)技術的重大進步，盡管其技術還處于初步階段。

根據(jù)我國航天事業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，新一代科學探測衛(wèi)星和空間站、空間平臺等，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)。但由于運載工具有效載荷艙必須是空間可展體系，而我國在這方面還比較落后，為此，我國的相關科研機構(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，但目前尚無大型復雜空間可展結(jié)構(gòu)付諸應用。1