航天可展收机构结构的一体化设计理论与方法研究

The deployable and foldable structural mechanism has the property of converting between mechanism and structure, which leads to the problem that only the mechanism or structure theory and method can't be satisfied with the special requirements of analysis and design for the mixture- - a combination of mechanism and structure. Meanwhile, as a key component of space crafts, deployable and foldable structural mechanisms are widely used in the field of astronautics and aeronautics. This research is aimed to develop an integrative design theory and methods in deployable and foldable structural mechanisms. The combination modes and geometry features of the unit-mechanism based on its characteristic analysis are studied, and further, flexibility and synchronism of the mechanism are investigated, dynamic performance of the system are analyzed. With considering the overall performance, a comprehensive index is established for analysis and optimization of the special combination of mechanism and structure. In additon, some fundamental problems for the application of deployable and foldable mechanisms are investigated, and a novel prototype of deployable and foldable antenna for space application is developed to verify our analysis and design theory and methods proposed.

可展收机构/结构在其工作过程中具有机构与结构相互转换的特性，采用单一的机构学或结构学理论方法无法满足这一结构化机构的特殊分析和设计要求。同时,可展收机构/结构具有大伸缩比、高刚度、少自由度等特性，已成为空间飞行器的一个关键组成部分广泛应用于航天、航空领域。因此，研究攻克机构/结构一体化设计这一基础问题不但具有十分重要的理论意义和学术价值，而且具有重大的实际意义。本项目拟建立综合考虑结构/机构特性的可展收机构一体化设计理论、综合分析与评价方法。通过对单元机构的特性分析，研究单元机构的组合方式和方位特征，探讨机构运动的灵活性、同步性等问题，分析整体机构的动力学性能。充分考虑可展收机构这一机构与结构结合体的整体性能要求，建立系统综合性能评价指标，对其进行综合分析及优化。并开展可展收机构/结构的应用基础问题研究，设计并研制出一面向航天应用的新型弧面可展收天线原理样机，对相关方法进行实验演示验证。

针对基于单元机构组合的可展/收机构的机构单元选择、组合方式、运动约束分析、方向误差分析以及机构与结构结合体的整体性能分析等方面的研究已取得创新性理论研究成果。发表学术论文14篇，其中包括ASME Transactions、Mechanism and Machine Theory、Mechanical Sciences等国际顶级期刊论文和IDETC/CIE等国际顶级会议论文，SCI收录7篇，EI收录13篇。相关研究论文获得IEEE/IFToMM国际会议最佳论文奖。设计研制了多个面向航天应用的可展/收机构原理样机并通过一系列实验验证了理论研究成果。突破了若干关键的技术问题，申请国家发明专利11项，已授权8项。本项目的研究成果对于丰富机构学和结构力学的研究内容，提高我国新型航天机构创新设计能力等都具有非常重要的价值和意义。主要研究成果如下：（1）基于单元机构组合的可展/收机构的设计及运动分析：在对典型单环机构分析的基础上，提出了基于单元机构的组合重构设计方法，分别设计了基于六面体向心单元机构的新型同步展开伸展臂、基于典型Hoekens机构的恒定截面新型一维单自由度可展/收机构、基于第三类Bricard机构的新型可展/收机构、基于Bennett机构的弧面拟合可展/收机构等。（2）可展/收机构结构的综合性能分析与评价方法研究：提出了板式展开天线多环机构的误差不确定性分析方法、探讨了基于零空间的大型可展机构自由度分析和综合方法研究、分析了机构学参数和关节锁定状态对可展/收机构的结构状态刚度的影响规律。（3）可展/收机构/结构的应用基础问题研究：开展了基于Bennett机构的大型弧面可展天线机构的样机研制，已完成结构设计将进一步优化并送加工制造；设计研制了由形状记忆复合材料支撑杆驱动展开并采用斜拉索进行张紧的平面薄膜可展开机构的原理样机，该机构具有大展收比、高比刚度、高重复精度、重量轻的特点；国际首次提出并设计了一种柔性太阳翼套接式可展/收机构，已研制由九级套筒组成的大型柔性太阳翼展收机构工程样机，完成了样机功能的地面模拟试验验证。