[科普中国]-空间可展结构

概念定义

“展开结构”与“折叠结构”2个概念不完全一致：一个结构可展开并不一定意味着可折叠；反之亦然。但此处所说的“展开结构”与“折叠结构”，具有对等的含义，两者可以互换，同时也泛指“展开折叠结构”。因此，展开结构一词实际可能指展开结构、折叠结构，或可展开折叠结构。单一单次任务型航天器仅需展开，勿需收拢返回或多次伸展，可称单纯展开结构。可多次折叠展开体系，具有更广泛的应用前景。

空间可展结构一般含有主动控制元件或被动控制元件，能对周围环境自动作出响应，由控制器对结构进行自我调整，从而保持结构稳定性态，因此又称自适应结构。虽然空间可展结构通常是自适应结构，且空间可展结构必须具备完善的自动控制系统才能满足高精度的要求，但两者研究重点不同。展开折叠结构研究强调结构体系、展开运动特性、结构分析等。表示展开、折叠的英泽词主要有Deploy，Extend，Unfold；Retract，Stow。自适应结构研究强调自动控制领域的研究与应用，包括主动控制和被动控制，主要是控制理论的研究与主动控制元件(Activator)的设计开发。自适应结构可根据周围环境的激励，自动调整结构的状态参数，使结构维持设计者所要求的状态。自适应的英泽词主要有Adaptive，Smart，Intelligent。1

分类空间可展结构的发展经历了40余年，为满足苛刻的空间环境条件与特殊任务需求，涎生了丰富多彩而新颖的结构形式。下面按展开驱动源和结构体系对其进行分类概括。1

按展开驱动源可分类(1)微电机驱动。在结构上分散或集中布置微电机，直接驱动主动件或通过传动使机构展开或折叠。根据电机布置和机构特性，可使机构实现同步或异步动作。该方式应用广泛，如HCDA、RRA、Muses-V、SFU等。

(2)弹簧(扭簧、拉簧)元件驱动。在机构节点或杆件中点处按特定要求设詈弹簧元件，折叠时弹簧受预应力存贮弹性变性能；当机构解锁后，弹簧释放弹性能，驱动机构协调同步展开。空间大型展开桁架结构多采用这种方法，如俄罗斯航空航天局的TKCA系列、美国NASA研制的Creorruss和Pactruss。

(3)自伸展驱动。结构的一部分构件、某些特定构件的中点、整个结构元件，由记忆合金、自适应智能元件等构成，使其在特定环境下可按设计要求自动展开。如美国NASAJPL和MIT开发的整体展开应用技术。

(4)其他驱动。除以上展开驱动方式外，还有NASA、ESA研制的充气式展开结构(1RSS)，利用材料弹性回复变形展开的缠绕肋(Wrapped-Rib)、盘绕式伸展臂(CoilableMast)，以及由主动器控制的操作臂(机械手)。1

按结构体系分类(1)单元构架式可展开天线。天线背架为可展开桁架结构，而且由一致的桁架单元(TrussModular)构成。这种结构单元形式多样，可满足各种复杂几何设计、刚度、精度、重复性、收纳率的要求，主要有四面体单元、六面体单元、三棱柱单元、六棱柱单元等。

(2)肋类支承可展开天线。天线由各种高刚性支承臂(肋)作为主要支承结构，与背撑索网、面索网、调节(连接)索网与反射索网形成张力结构体系。质轻、收纳率及展开可靠性较高，但刚度、可重复性精度、反射面利用率与馈电性能稍差。支承肋主要有径向肋、缠绕肋、各种高刚性伸展臂(盘绕式、铰接式伸展臂)等。

(3)其他可展开结构形式。除上述可展开天线外，还有诸如充气式天线(IRSS)、环柱式天线(HCDA)、整体展开天线、平面阵天线、变几何臂(VGT)、空间平台等。1

我国研究发展1970年4月24日，我国东方红一号发射成功，标志着我国步人了航天飞行器应用的新时代。但由于我国经济较落后和对空间可展结构认识的滞后，在这一领域的研究起步较晚，至20世纪90年代初才开始进行空间可展结构的应用技术和理论研究。

目前我国的卫星尚属于小到中型平台卫星之列，对空间可展结构技术的应用需求较低，受制于此也难以使工作平台“大型化”。风云一号第一次使用了对称的4块太阳帆板，平台两侧各2块，人轨后展开，工作正常，属“铰接展开”。历时多年研制成功的东方红三号取得了一系列技术突破，其天线口径为2．5 m抛物面，它与卫星平台之间可实现90°转动。风云二号的成功发射更标志着我国空间可展结构技术的重大进步，尽管其技术还处于初步阶段。

根据我国航天事业的发展规划，新一代科学探测卫星和空间站、空间平台等，都需要口径5-10m、以至于20m左右，工作频率2．0-22．0GHz的大型空间可展天线系统。但由于运载工具有效载荷舱必须是空间可展体系，而我国在这方面还比较落后，为此，我国的相关科研机构相继开展了一系列前瞻性研究，并取得了一批重要的成果，但目前尚无大型复杂空间可展结构付诸应用。1