揭秘空间可展结构中的科学与艺术
揭秘空间可展结构的科学和艺术
姓名: 王伟臣 、张子瑞、张维仁、王晨清
指导教师: 黄来清
学校: 徐州市第一中学
日期: 2022.10.2
揭秘空间可展结构中的科学与艺术
小组成员: 王伟臣、张子瑞、张维仁、王晨清
指导老师:黄来清
【摘要】空间可展结构已经广泛用于航空航天、土木建筑、医疗设备、变形机器人等领域,在收集并阅读空间可展结构的相关研究文献基础之上,通过对比实验法与控制变量法,对剪铰的展开特性与太阳帆展开因素进行实验探究与分析。
【关键词】空间可展结构;剪饺;太阳帆
1 研究背景
空间可展结构已经广泛用于航空航天、土木建筑、医疗设备、变形机器人等领域,其设计研究是一个跨领域、多学科的综合系统工程,通过伸缩、折叠、开合等形式改变自身形态,实现从紧密折叠状态到可控展开状态的转换以满足不同的应用需求。
宇航高科技的发展和各项宇宙探索活动的深入,推动了空间可展结构的迅猛发展,现代航天器越来越向轻型化和巨型化发展,但是由于发射成本在整个宇航项目成本中占据主要部分,而发射成本和被运载物的体积和重量密切相关,一般来说,被运载体积越大,重量越高,相应的发射成本就会越高。空间可展结构在地面发射时为收纳状态,固定于运载工具的有效荷载舱内;当被发射到轨道上后,再由地面控制指令使其在空间轨道上按设计要求逐步完成展开动作,最后锁定并保持为运营工作状态。这种结构形式的出现极大的提高了航天器的运载能力,同时也使得人类对太空的探索有了进一步的发展。
随着太空探索的研究不断前进,太空探索仪器越来越精细,耗电量也越来越大,而航天器的载荷空间是有限的,合理地分配有限的载荷空间和各个系统的质量,以满足人类探索太空的需要,保证仪器设备能够正常运转,是研究者们一直努力的方向。
2国内外空间可展开结构的研究与应用
大型空间可展开天线(Deployable Space Antenna)和太阳帆(Solar Array)是空间可展开结构研究最活跃、最深入的领域之一,人们已提出了各种展开结构概念设计,建立了一些行之有效的分析机构特性、展开运动、结构动力与控制等方面的理论和建模方法,开发了专业的应用技术,并开创了广阔的工程应用前景。
由于航天飞行器具有广阔的应用领域,备受各国重视。美国航空航天局(NASA)于70年代后期在其发展规划中提出了各种形式展开天线,并对概念设计、分析理论方法、具体应用设计技术开发进行了系统深入的研究。俄罗斯宇航局也在展开结构设计发展应用上作出了卓越贡献,尤其在“和平号”空间站上。欧空局(ESA)在其卫星发展计划中也对展开结构技术进行了深入研究。加拿大通过与美国合作在航天展开结构基础上也取得了一定的成绩。印度则研制出了自己的大型卫星天线、太阳翼、发展了自己的可展开结构技术。日本ISAS和 NASDA是世界宇航界的后起之秀,在可展开折叠结构技术研究应用上取得了显著的进步。
1970 年我国东方红一号发射成功,标志着我国也步入了航天飞行器应用的新时期,但我国由于对展开结构认识的滞后,在这一领域的研究起步很晚,于80年代后期、90年代初才比较全面的进行展开结构应用技术、理论分析的研究工作。但相关科研机构相继开展了一系列前瞻性的研究,并取得了一批重要的成果。“东方红”三号、“风云”二号都采用了展开结构技术,“东方红”三号天线为口径约 2.5m 的抛物面整体天线,它与空间平台的联接机构可以实现 90°的转动,“风云四号”则采用了单太阳翼结构等等。
从国内外已投入应用或正在研究的空间可展结构来看,其展开机理,结构形式,驱动方式各异。对于可展结构,设计者最关心的是结构能否展开,展开过程运动几何协调性如何,结构几何位形如何变化,在何种驱动力方式作用下结构可有效运动,以及特定驱动方式下结构展开的动力特征参数。
3研究价值
空间结构可展具有承载力大但收拢时所占空间小、收放灵活和 运输方便等优点,研究将为人类生活生产带来了更大的便利。航空航天领域对空间可展结构的研究,可以极大提高航天器的运载能力,促进人类对太空进一步的探索。当然,可展结构应用需求复杂,尚未形成成熟的系统方法进行设计与分析,本研究尝试从现有可展结构的成功案例中探寻通用方法。
4 相关概念
(1)收纳率
收纳率,指结构在展开状态沿三个主轴投影所形成封闭域的容积与完全折叠状态容积之比值。按照种类不同可以分为径向收纳率、高度收纳率、体积收纳率等。展开状态的结构形式主要决定于结构任务总体要求。折叠状态的容积、形状不仅与结构形式有关,且受到发射运载工具有效载荷舱的大小的影响。即使在航天飞机较大有效载荷舱的今天,减小折叠容积,提高收纳率亦是空间展开结构的一项关键技术指标。
(2)折展比
折展比,指空间展开机构展开状态的面积与收拢状态占用面积的比值。
可以看出,收纳率和折展比都是描述空间可展结构折叠/收纳的效果。收纳率中的径向收纳率适合测量柱状物体的收纳效果;折展比侧重于二维平面的展开效果,更多地用于讨论太阳翼、天线等平面结构。
(3)功质比
功质比,即功率质量比。计算方法为输 出功率与质量的比值,单位为 W/kg。
(4)剪铰结构
由剪杆单元和铰为主要构件连接形成的展开结构形式,其中剪杆作为结构折展变化的对象,铰点作为约束剪杆变化的构件。变化过程即剪杆围绕绞点做各种角度的旋转,最后达到指定位置,从而完成一个折展过程。整个剪铰结构的折展可以分割成若干的剪杆单元围绕铰点转动和剪杆单元之间的相对位移。
5 原理与方法
可展结构是一种耐空间环境、能承受发射时的载荷、自主运动并且保持机能的结构,是机械、控制、结构融为一体的多学科复杂系统。
设计满足特定需求的可展结构,通常需要:(1)设计初始可展结构;(2)开展静动力学分析,评估初始结构;(3)反馈分析结果以改进结构方案。通过多次反馈与改进,最终形成具有预期功能的可展结构。
本课题主要采用了对比实验法与控制变量法。
(1)对比实验法:设置两个或两个以上的实验组,通过对比结果的比较分 析,来探究各种因素与实验对象的关系。
(2)控制变量法:把多因素的问题变成多个单因素的问题,而只改变其中的某一个因素,从而研究这个因素对事物影响,分别加以研究,最后再综合解决。
6 实验材料
(1)预备活动:生活常见可展结构的展开效果及影响因素探究
材料:①伸缩球;②教鞭;③伞;④扇骨展;⑤啪啪圈;⑥黏土;⑦吹龙;⑧唇膏管
(2)课题一 探秘剪铰的展开特性
材料:①剪铰实验套装;②坐标纸;③剪刀器;④棉线;⑤直尺;⑥螺丝刀
(3)课题二 太阳帆展开因素研究
材料:①拉线飞碟;②注射器;③透明宽胶带;④螺母和橡皮筋;⑤大豆油;⑥剪刀
7 实验步骤:
7.1 课题一 探秘剪铰的展开特性
1.剪铰的展开效果探究
(1)组装测试台
(2)剪铰移动速率实验,调节各节点,记录剪铰移动时指针的移动数据
2.太阳翼的功质比探究
搭建N个剪铰单元组成的圆弧,调整圆弧各个单元的角度和位置,得到不同大小的圆弧/圆,并记录各个材料的使用量。
7.2 课题二 太阳帆展开因素研究
(1)注射器所在碟片标记1号、2号、3号
(2)探究太阳帆末端质量对太阳帆展开的影响。将坠物(螺母和塑料横 孔用橡皮筋、透明胶带连接在注射器活塞末端)
(3)探究太阳帆支架摩擦力对太阳帆展开的影响。1号保持原状、2号涂抹少量食用油、3号剪去黑色胶塞边缘。重复多次记录数据。
8 实验结果与分析
8.1预备活动 生活常见可展结构的展开效果及影响因素探究
8.2 课题一 探秘剪铰的展开特性
实验一主要是对剪铰的展开效果进行探究,通过对剪铰的展开效果实验数据记录分析(如上图所示)。研究发现,C点纵坐标速度约是O点纵坐标速度的2倍;O点纵坐标速度先大后小,后趋近于0,而且剪铰的O点和C点运动轨迹相似,均为扇形。
然后,对变形后剪铰的展开效果实验数据记录分析发现,O点横坐标缓慢减小,纵坐标缓慢增加;C点横坐标持续减小,纵坐标持续增大。而且O点横坐标速度较为平稳,纵坐标速度有所起伏,总体上先大后小;C点横坐标速度有所起伏,纵坐标速度开始起伏较大,后有所减慢。如下图所示。
实验二主要是改装组装平台,对以剪铰为支架的太阳翼功质比进行探究,通过数据分析发现,当材料相同时,剪铰单元数量越多,太阳翼的功质比越大;功质比增幅逐渐减小。
8.3课题二 太阳帆展开因素研究
太阳帆要受到展开面积、展开形式、发射质量等问题的限制。帆面能否平稳展开决定了太阳帆的推进性能,而帆面的展开过程及最终展开状态与太阳帆展开机构的设计紧密相关。
课题通过分析1、2、3号注射器活塞移动情况数据,研究发现,太阳帆在太空中的展开过程受末端质量和之间摩擦力的影响:太阳帆末端质量越大,太阳帆展开面积越大;太阳帆支架之间摩擦力越小,太阳帆展开面积越大。
9 参考文献:
[1]王峰. 空间可展结构展开过程动力学分析[D].西安电子科技大学,2008.
[2]杨萍萍. 星载可展开结构的结构设计与参数化[D].西安电子科技大学,2008.
[3]曹登庆,刘梅,朱东方,李友遐.空间可展桁架结构等效动力学模型研究进展与展望[J].飞控与探测, 2020,3(01):8-17+4.
[4]张逸群,杨东武,李申.空间可展开天线多态结构分析及优化设计[J].振动与冲击,2016,35(19):162-167.
[5]姜海博. 空间可伸缩机械臂杆结构设计及其地面实验验证[D].哈尔滨工业大学,2016.
[6]谭谋. 空间可展开结构调整组件的分析和设计[D].西安电子科技大学,2014.
[7]解文静,陆帅,邢巍巍,沈凯,王卉.空间可展剪式铰结构综述[J].江苏建筑,2013(04):17-20.