SIASAIL-Ⅰ太阳帆展开机构丨JME封面文章
太阳帆作为一种新型航天器，在航行过程中不需消耗大量的化学燃料或工作介质，因此被广大学者和专家认为在深空探测和主动离轨技术中，具有广泛的应用前景。然而，太阳帆能否展开决定了太阳帆任务的成败。太阳帆帆膜的展开过程及最终展开状态与展开机构的设计紧密相关，展开机构设计是太阳帆航天器涉及的关键技术之一。虽然太阳帆航天器已有不少成功的案例，但是对于太阳帆展开机构的具体设计细节，以及在太阳帆展开过程中可能存在的失效形式的分析，现有的相关研究还较少，需要做进一步探究。
中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室的刘金国、赵鹏远、吴晨晨、秦栋、陈科利在《机械工程学报》2019年第21期发表了《SIASAIL-Ⅰ太阳帆展开机构》(封面文章)一文，他们结合太阳帆构型及其性能要求，设计三轴稳定、整体张拉式正方形太阳帆的展开机构。对展开机构进行伸展杆同步性设计，并计算验证同步性设计的合理性。采用有限元方法分析了薄壁管状帆桁构型对其抵抗拉伸/弯曲变形的影响，结果表明豆荚形帆桁的综合性能最优。对2根C形杆点焊形成的人字形帆桁和正常人字形帆桁进行了静力学分析对比。分析了人字形帆桁伸展过程出现“鼓包”现象的原因，并提出防“鼓包”设计。对比了3种不同的帆膜折叠方式，给出折叠次数与最大卷绕高度的关系，定义折痕指数Z以比较不同折叠方式在折叠次数、收拢体积等方面优劣，发现折叠方式C特性最优。最后完成了SIASAIL-Ⅰ太阳帆的研制工作，并分别开展了帆桁带膜地面展开试验测试。试验过程平稳，未出现“鼓包”现象，各伸展杆实现了较好的同步性，验证了展开机构的可行性。
结合太阳帆构型及其性能要求，本文设计了三轴稳定、整体张拉式正方形太阳帆的展开机构。对展开机构进行伸展杆同步性设计，并计算验证同步性设计的合理性。采用有限元方法，利用ABAQUS分析了薄壁管状帆桁构型（包括C形、双凸形、人字形、豆荚形）对其抵抗拉伸/弯曲变形的影响。并对2根C形杆点焊形成的人字形帆桁和正常人字形帆桁进行了静力学分析对比。分析了人字形帆桁伸展过程出现“鼓包”现象的原因，并提出防“鼓包”设计。对比了3种不同的帆膜折叠方式，给出折叠次数与最大卷绕高度的关系，定义折痕指数Z以比较不同折叠方式在折叠次数、收拢体积等方面优劣。最后完成了SIASAIL-Ⅰ太阳帆的研制工作，并分别开展了帆桁带膜地面展开试验测试。
太阳帆展开机构设计
图1为展开机构的总体设计图。该机构采用单一驱动方式，即中心卷轴通过单个电机实现帆桁的收展。4个张紧臂可以提供张紧力，从而确保4根帆桁紧密卷绕在主轴上。每个张紧臂顶端设置有一个张紧轮，把帆桁与张紧臂顶端的滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小展开过程中的阻尼力，同时为帆桁展开提供导向。
图1 展开机构总体示意图
4种构型帆桁静力学特性对比结果
图2 径向力位移曲线
图3 轴向力位移曲线
由分析结果可得出如下结论。
(1) C形帆桁抵抗弯曲变形和拉压变形的能力与其他3种形式相差1～2个数量级。
(2) 双凸形、人字形和豆荚形帆桁的抗弯和抗压能力处于同一数量级。其中，人字形和豆荚形帆桁的抗弯能力略优于双凸形；双凸形和豆荚形帆桁的抗压能力略优于人字形，且人字形位移波动相对明显。
(3) 帆桁受力在不同截面影响下会表现出不同的力学特性，导致其径向位移出现波动现象。对双凸形、人字形和豆荚形三种帆桁进行比较发现，双凸形和豆荚形两种帆桁为封闭截面，受内应力相互作用影响，所出现的位移波动要明显弱于人字形。
2种人字形帆桁对比结果
受到实验室材料制备能力的限制，闭合截面的双稳态结构（包括双凸形、人字形和豆荚形）较难获得。而对于人字形双稳态结构，除了采用一般的制备工艺，还可以采用2根C形杆点焊的形式获得，此种制备方式简单易得。本文将对2根C形杆点焊形成的人字形双稳态结构（以下简称为“双C形”）与一般的人字形帆桁进行对比，以说明双C形结构是否具有替代作用。
图4 2种人字形帆桁对比
从对比结果来看，双C形结构与人字形结构的静力学特性具有较好的一致性。受到径向力作用时，二者的Mises应力值和合位移相差无几；受到轴向力作用时，人字形结构的形变在大部分轴向方向上略优于双C形，但是波动更加明显。整体来看，双C形结构的静力学特性略优于人字形，这是由于点焊所形成的的接触面增加了双C形结构的刚度，但这会在一定程度上增加发生鼓“鼓包”现象的可能性。
面向深空探测需求，本论文围绕三轴稳定、整体张拉式正方形太阳帆帆桁及展开机构开展了设计与试验研究工作。
(1) 根据设计需求，提出了整体张拉式太阳帆展开机构的整体设计，并计算验证了同步性设计的合理性。
(2) 在帆桁的设计阶段，对不同构型的薄壁管状帆桁进行了收敛性分析，并基于收敛性分析结果进行了静力学分析，分析表明豆荚杆具有最优的抗拉伸和抗弯曲性能。对人字形帆桁和C形杆点焊形成的人字形帆桁进行对比分析，表明点焊形成的人字形帆桁具有替代作用。
(3) 采用C形杆点焊形成的人字形帆桁进行试验，并针对人字形帆桁在卷绕过程中产生的“鼓包”问题提出了解决方案。
(4) 对比3种不同的帆膜折叠方式，给出了各折叠方式折叠次数n与最大卷绕高度h之间的计算关系，提出折痕指数Z以比较不同帆膜的性能优劣，发现折叠方式C具有最优的折叠性能；
(5) 开展了帆桁带帆展开地面试验测试。最终实现了帆桁的同步稳定展开，验证了展开机构的可行性。
本文对太阳帆展开机构进行了详细的设计，并对包括展开同步性、帆桁构型仿真、防“鼓包”设计、帆膜折叠方式进行了细致研究，形成了一套较完整的理论体系。对太阳帆整体设计具有较大的借鉴意义，具有广泛的应用前景。
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刘金国(通信作者)，男，1978年出生，博士，中科院沈阳自动化所研究员、博士生导师，国家万人计划青年拔尖人才，机器人学国家重点实验室主任助理、空间自动化技术研究室副主任。研究方向为空间机器人、仿生机器人、空间结构与机构等。发表论文100多篇，出版著作4部，授权发明专利20多项。获国家科技进步二等奖，辽宁省自然科学学术成果奖一等奖，IEEEROBIO、ICIRA、ISIUS等国际会议最佳论文奖/优秀论文奖，中国机械工程学会、载人航天学术大会优秀论文奖等奖励20多项。
赵鹏远，男，1994年出生，硕士研究生。主要研究方向为空间可展开结构与机构。
吴晨晨，女，1990年出生，博士，副研究员，硕士研究生导师。主要研究方向为离轨帆、柔性太阳能电池阵、基于折纸艺术的新型可展开空间结构与机构。
中国科学院沈阳自动化研究所多年来一直从事机器人学基础理论研究以及机器人技术与系统研发，是机器人学国家重点实验室、机器人技术国家工程中心、国家机器人创新中心、国家机器人检验与评定中心、先进机器人学与机构学国际联合研究中心、国家机器人标准总体组的依托单位。沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室也是国内从事空间智能装备研究的优势单位，近年来专门组建了从事空间机器人与空间智能装备的研究队伍，现已承担载人航天工程、嫦娥工程、微小卫星、小天体采样等多项国家工程型号任务。该团队基于研究所多年在机器人技术、自动化技术和传感技术方面的积累，紧密结合国家大型工程任务，深入开展了空间机器人关键技术研究，在空间机器人自主操控、空间机器人视觉、空间机器人遥操作、星球表面全地形高效移动平台、地外天体自主采样系统、刚/柔可展开结构与机构等方面的研究取得了突破，并形成了特色和优势。
近两年团队发表文章
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Peng HJ, Fei LF, Liu JG, et al. Asymplectic instantaneous optimal control for robot trajectory tracking withdifferential-algebraic equation models. IEEE Transactions on IndustrialElectronics, 2019
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Gao Q, Liu J.G, Ju ZJ, et al. Dual-handdetection for human-robot interaction by a parallel network based on handdetection and body pose estimation. IEEE Transactions on IndustrialElectronics, 2019
Gao Q, Liu JG, Ju ZJ. Robust real-timehand detection and localization for space human robot interaction based on deeplearning. Neurocomputing, 2019
Ni ZY, Liu JG, et al. Time-varyingstate-space model identification of on-orbit rigid-flexible coupling spacecraftusing a predictor-based recursive subspace algorithm. Acta Astronautica, 2018
Zhang XB, Liu JG, Ju ZJ, Yang CG.Head-Raising of Snake Robots Based on a Predefined Spiral Curve Method. AppliedScience, 2018
Xu ZY, Liu JG, et al. Characteristicsanalysis and comparison of conventional and segmental rotor type 12/8 switchedreluctance motors. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018
Ding J, Liu JG, et al. Accuracy Modelingand analysis for a Lock-or-Release Mechanism of the Chinese Space StationMicrogravity Platform, Mechanism and Machine Theory, 2018
Sun Y,Liu J G, et al, Mechanisms involved in inflammatory pulmonary fibrosis inducedby lunar dust simulant in rats. Environmental Toxicology, 2019
LiuJG, Zhang X, Dai J. et al. Configuration Analysis of a Reconfigurable Rubik’sSnake Robot. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C:Journal of Mechanical Engineering Science, 2018
Sun Y，ZhangL, Liu JG, et al. Effects of lunar dust simulant on cardiac function andfibrosis in rats. Toxicology Research, 2019
ZhangX, Liu JG. Effective motion planning strategy for space robot capturing targetsunder consideration of the berth position. Acta Astronautica, 2018.
Ni ZY,Liu JG, et al. Identification of the time-varying modal parameters of aspacecraft with flexible appendages using a recursive predictor-based subspaceidentification algorithm. Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2018
Ni ZY,Liu JG, Wu ZG, Shen XH. Identification of state-space model and payload massparameter of a flexible space manipulator using recursive subspace trackingmethod. Chinese Journal of Aeronautics. 2018
Chang C G, Liu J G, Ni Z Y, Qi RL. AnImproved Kinematic Calibration Method for a Mobile Manipulator Based on POEFormula. Robotica, 2018
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