基于鳞翅目昆虫羽化发育机理的空间可展结构研究

空间可展结构作为一种重要结构广泛应用于航天领域的各种空间飞行器和星球探测器中。由于受到空间运输系统的体积和成本限制，空间可展结构通常要求较大的展开/收缩体积比或面积比和极高的可靠性与稳定性，使空间可展结构的研发面临一系列的理论、方法和技术挑战。新型展开机理是空间可展结构研究的重点内容之一。自然界中，鳞翅目类昆虫在变态发育期间，蛹的羽化展示了翅膀从小变大、由柔变刚的发育展开过程，可供空间可展结构设计参考。为此，本项目拟研究鳞翅目昆虫羽化过程中的生理变化特征，剖析羽化发育过程中翅原基形态变化、翅芽生长发展等生态变化过程，探索昆虫鳞翅羽化展开的发育机理；根据该机理提出新型空间结构的发育展开方法，仿真优化仿生展开结构的拓扑构形，探索仿生结构的材料特性与制造工艺，研制出新型空间可展结构。本项目研究成果将极大地拓展空间可展结构前沿领域的研究思路,为工程应用提供基础，具有较大的实用价值。

本课题对基于鳞翅目昆虫羽化发育机理的空间可展结构的基础问题进行了研究，主要包括：（1）对大帛斑蝶及枯叶蛱蝶的羽化展开机理进行深入研究；（2）根据鳞翅目昆虫的羽化发育展开机理，建立展开结构的仿真模型；（3）针对最初样机中存在的问题，对模型结构进行拓扑优化设计，提出两种新型的充气可展开结构；（4）对两种可展开结构分别进行相关静力学、动力学分析，从而验证其具有较好的力学特性；（5）样机制作，并进行充气展开试验，进一步验证所提出的可展开结构的可行性。. 在国家自然科学基金的资助下，课题组在理论研究及技术基础方面取得了一系列有意义的研究成果。根据鳞翅目昆虫羽化发育与鳞翅展开机理和数学模型，提出新型仿生展开结构的目标形态。利用元胞自动机理论，建立鳞翅发育生长模型，根据鳞翅目昆虫羽化发育与鳞翅展开机理，创新性的设计了两种仿生充气可展开结构。相关的理论研究工作在Science、Nonlinear Dynamics、IJCAS等国内内外期刊上发表论文28 篇，其中SCI 收录4 篇，EI 收录10 篇；课题负责人在科学出版社出版专著两部，被国际杂志“Advances in Mechanical Engineering”邀请作为专辑主编出版“Reconfigurable and Deployable Mechanisms”专辑一期；研究工作获得辽宁省自然科学学术成果奖“三等奖”2项。此外，课题相关的技术申请国家发明专利5项，其中已授权发明专利1项；在成果转化方面也取得了可喜进展，课题实施中掌握的技术为某航天型号可展开机构的研制提供了技术支撑。. 本课题的研究极大地拓展了空间可展结构前沿领域的研究思路,为以后的工程应用提供了基础，具有较大的实用价值与应用前景。