哈尔滨工业大学刘荣强教授团队：空间可展开天线机构研究与展望丨JME文章推荐
空间可展开天线是工作在太空环境下的具有展开功能的天线。由于火箭有效发射容积的限制，大型星载天线在发射时需要将天线收拢起来，入轨后展开并进入工作状态。空间可展开天线作为传递与获取信息的核心装备，在空间通信、军事侦查、对地观测、导航、深空探测等领域已得到广泛应用。近年来，为提高卫星通信距离、通信容量和对地观测分辨率，要求天线口径越来越趋向大型化。近年来，空间可展开天线机构已成为国内外的研究热点，主要集中在可展开机构构型设计、展开驱动与控制、动力学特性分析、精度分析与补偿方法、结构优化设计、地面试验与测试方法等方面，随着复合材料、智能材料、薄膜材料等新材料的应用，将推动空间可展开机构向更大、更轻、更精的方向发展，需要将机械、材料、控制、力学、空间物理学等多个学科进行交叉融合，促进空间可展开机构研究水平的提升和工程化应用。
哈尔滨工业大学刘荣强教授团队在《机械工程学报》2020年第5期出版的航天重器——空间大型可展机构与装备专刊发表了《空间可展开天线机构研究与展望》一文，为大家介绍空间可展开天线机构的典型结构形式、应用案例、最新的技术进展，对可展开天线机构的构型设计、优化设计、动力学分析的研究现状进行了综述，分析可展开天线机构研究当前存在的主要问题与发展趋势，为开展空间可展开天线机构研究提供借鉴与参考。
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刘荣强，男，汉族，1965年生。教授，博士生导师；哈尔滨工业大学机电学院航空宇航制造工程系副主任、宇航空间机构及控制技术国防重点学科实验室副主任。主持国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项，以及863计划、国防预研、民用航天等项目10余项。获得国家技术发明二等奖2项（排名第2和第4），省部级科技奖励3项，2008年荣获黑龙江省优秀留学回国人员报国奖，发表学术论文100余篇，参与撰写学术专著2部，获得国家授权发明专利30余项。现任美国电气通讯学会（IEEE）论文评审专家、中国宇航学会深空探测专业委员会执行委员、中国空间学会空间机电专业委员会委员等。
项目组自2000年以来一直从事宇航空间机构及控制方面的研究，近年来主要开展了大型空间可展开机构构型创新设计、大型空间伸展臂、大型空间可展开天线、可展开机构动力学分析与实验等研究，研制成功大型空间可重复展收伸展臂、可展开抛物面天线机构、模块化可展开平面天线机构等空间可展开机构原理样机，完成科研项目10余项，其中包括863项目1项、国家自然科学基金3项、国防预研项目3项。正在承担国家自然科学基金重点项目、面上项目、民用航天、国防预研、博士点基金等项目，发表论文30余篇，获得国家发明专利10项，在空间可展开机构方面具有良好的研究基础。
已取得的与本项目有关的研究成果如下：
（1）空间折展机构构型创新与组网方法研究
提出了空间折展机构拓扑与运动学综合方法。基于图论、螺旋理论及位移李群理论，对含有不同数量运动副和构件的折展机构运动链进行了拓扑综合，建立了多转动副运动链的李代数运动度表达式，首次综合出9种具有对称运动度的基本运动链。提出了折展机构单元可展性判别方法，建立了具有可展性的机构单元图谱及构型库，为构建大型空间折展机构提供了大量可选机构单元。
图2 折展机构单元图谱及构型
定义了共连杆、共支链、共对称机构等可动连接方式及可动连接条件。基于运动度等价原则，用虚拟支链法将复杂多闭环机构代换为单闭环机构。提出了空间折展机构的模块化组网方法。创新设计出直线型、平面型和曲面型等多种大型化、大折展比的空间折展机构。出版了《空间折展机构设计》学术专著。
图3 代表性大尺度空间折展机构新构型
（2）基于图论的空间可展开单元的构型综合方法研究
提出了基于图论的四棱柱可展开单元的机构构型综合方法，根据Maxwell定理给出的静定几何体边数与顶点数的关系，得到图论中表征顶点数、边数、度数关系的基本方程组，将可展单元胚图转化为可展开机构单元，得到全部32种可用的直线折叠型四棱柱可展开单元的概念构型。提出了可描述可展开机构单元回路数、构件连接关系、铰链数目等拓扑特征的拓扑图表达方法，为空间折展天线机构提供更多可选构型。
图4 32种可以折叠成直线的静定四棱柱可展机构构型
（3）铰链及空间多铰折展机构非线性动力学建模
基于赫兹接触力分布和铰链接触几何约束条件，建立了高精度铰链非线性接触力学模型；建立了铰链非线性动刚度及阻尼模型，分析了铰链间隙、接触变形、振动幅值和振动频率等对刚度、阻尼特性、碰撞响应的影响；考虑空间高低温环境，对铰链准静态、动力学特性进行了高温、低温试验测试，验证了理论模型的正确性。提出了铰链等效热力学建模方法，建立了空间折展机构热变形与热模态分析模型，以热变形最小，形面精度最高为目标对折展机构杆件热膨胀系数进行了优化设计。引入考虑多因素非线性铰链模型，建立了空间折展机构非线性多柔体系统动力学模型。分析了铰链刚度、阻尼、外部激励等对折展机构动力学响应的影响；基于有限元分析了空间一维伸展臂、平面天线机构、空间曲面天线机构的动力学特性及铰链刚度对机构基频的影响。搭建了动力学测试平台，进行了动力学实验。测试了一维伸展臂、三维曲面天线机构的基频。对空间折展桁架机构进行了非线性动力学特性测试，识别了铰链非线性特征，验证了理论模型的正确性。
图5 铰链等效模型及试验测试
设计并研制了圆管开缝型和双片形超弹性铰链，建立了超弹性铰链折展力学模型及优化设计模型，并对其折展性能进行了优化设计，获得了较优的结构参数设计。搭建了超弹性铰链试验测试台，对铰链展开驱动力矩进行了试验测试，研制了理论模型的正确性。
图7 圆管开缝型铰链有限元模型
（4）卡爪式对接接口研制
设计并研制了如图9所示的卡爪式对接接口原理样机，选择步进电机作为对接接口的驱动电机，实现对锁紧过程中的控制。
图9 对接接口原理样机
对接接口的锁紧单元与放置在地面上的铁质框架安装固定，被锁紧单元与被悬挂的铁质框架固定相连，将被锁紧单元靠近锁紧单元的捕获区域，可以实现对接的“捕获-拖动-锁紧”的对接过程，如图10所示。
图10 对接接口对接过程
（5）关节铰链机构
图11 高刚度铰链（动静刚度达105以上）
图12 恒力矩铰链（驱动平稳、末端冲击小）
（6）空间连接与分离机构技术
发明了多种新型锁紧释放机构，解决了空间折展机构的高刚度、低冲击、高可靠锁解技术难题，为多项重大空间任务提供了锁紧与分离机构，如图13所示。针对大型空间折展机构折叠与展开的全过程力学特性，提出了基于全局动态响应最优的分布式锁紧与分离设计方法；通过创新锁紧机构构型，解决了高刚度连接、可重复锁解和定向分离等关键技术难题；引入智能材料驱动，实现了锁紧释放机构的低冲击分离。研制出一系列新型锁紧释放机构，直接应用于“试验七号卫星”空间机械臂、“玉兔号”月球车机械臂、先进武器系统等重大工程任务。
图13 适应多种空间任务需求的锁解机构
（1）本项目依托单位哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室和宇航空间机构及控制国防重点学科实验室，拥有良好的研究实验条件和必要设备，如图41所示，具体设备名称如下：
三维振动试验台：最大加载值为6吨，具有振动加载、测试及分析功能，可进行x、y、z三个方向的振动试验，可进行展开机构的振动试验。
真空高低温试验器：真空度10-3Pa，温度区间-180℃-150℃，拥有磁流变液动力输入装置，可进行热真空环境的活动关节试验。
高低温试验箱：温度变化范围在-80℃-+150℃，容积为1.7m×1.5m×1.2m，可进行可展开机构局部的高低温试验。
高速摄像系统：Phantom V12.1，满幅1280X800像素，最高拍摄速率每秒100万帧图像，具有非接触运动测量功能，可用于展开过程的局部运动测量。
激光跟踪仪：美国API公司产品，最大测量距离不小于40m，采点速率256点/s，静态精度：5ppm(5μm/m)，动态精度：10ppm(10μm/m)，可跟踪测量机构展开的动态过程。
多通道振动信号测试系统：比利时LMS公司产品，64通道，可进行振动测试与模态分析。
图形工作站：美国SGI公司产品，可进行大型可展开机构的可视化动力学仿真。
图14 主要实验设备
编辑：金程 校对：张彤
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