大型太阳帆干扰力矩消减方法.pdf

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1、第２３卷第４期载人航天Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．４２０１７年８月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＡｕｇ．２０１７大型太阳帆干扰力矩消减方法谢超，彭福军，恽卫东，刘大利（上海宇航系统工程研究所，上海２０１１０９）摘要：针对柔性太阳帆大变形引起姿态干扰力矩过大的问题，采用有限元方法对一种执行太阳极轨探测的１５０ｍ×１５０ｍ柔性太阳帆进行仿真分析，采用修正的压力加载方法降低了太阳帆在光压加载下的变形分析误差，获得了帆结构在大变形下由光压引起的干扰力矩。为降低干扰力矩量值、保证姿态稳定，提出了一种通过调整构型来降低变形量的方法，并通过仿真分析验证了该方法的

2、有效性。关键词：太阳帆；大挠性；干扰力矩消减；有限元分析中图分类号：Ｖ４２３.９文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１７）０４-０４４８-０６ＡＤｉｓｔｕｒｂｉｎｇＴｏｑｕｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｆｏｒＬａｒｇｅＳｏｌａｒＳａｉｌｓＸＩＥＣｈａｏ，ＰＥＮＧＦｕｊｕｎ，ＹＵＮＷｅｉｄｏｎｇ，ＬＩＵＤａｌｉ（ＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｈａｎｇｈａｉ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｌａｒｓａｉｌ，ａｐｏｔｅｎｔｉａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｇａｉｎｓ

3、ｍｏｍｅｎｔｕｍｂｙｃａｐｔｕｒｉｎｇａｎｄｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅｐｈｏｔｏｎｓｏｆｔｈｅＳｕｎａｎｄｔｈｕｓｂｅｐｒｏｐｅｌｌｅｄｉｎｓｐａｃｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｅｘｃｅｓｓｉｖｅａｔｔｉ-ｔｕｄｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｓｏｌａｒｓａｉｌｓｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ａｎｅｆ-ｆｅｃｔｉｖｅＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｍｅｔｈｏｄｔｏｍｏｄｉｆｙｔｈｅｓｏｌａｒｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏａｄｏｎｌａ

4、ｒｇｅ-ｄｅｆｏｒｍａ-ｔｉｏｎｓｏｌａｒｓａｉｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇｔｏｒｑｕｅｏｆａ１５０ｍ×１５０ｍｓｏｌａｒｓａｉｌｆｏｒｓｏｌａｒｐｏｌａｒｉｍａｇｅｒｍｉｓｓｉｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎａｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇｔｏｒｑｕｅａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａ-ｔｉｏｎ．Ｋｅｙ

5、ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒｓａｉｌ；ｌａｒｇｅｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ；ｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇｔｏｑｕｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）于２００１年和２００５年两次发射失败。日本宇宙航１引言空研究开发机构（ＪＡＸＡ）研制出依靠自旋展开的［３］太阳帆是利用巨大帆面反射太阳光子获得动ＩＫＡＲＯＳ太阳帆，已于２０１０年率先完成首飞。量的新型推进技术，无需推进剂、无污染。太阳帆美国航空航天局（ＮＡＳＡ）在其制定的空间推进技可从光压作用中持续加速，不仅可以获得常规推术项目（Ｉｎ-ＳｐａｃｅＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏ

6、ｌｏｇｉｅｓ，ＩＳＰＴ）中［４］进技术难以达到的航行速度，还可执行常规推进支持发展太阳帆推进技术，于２００５年由ＡＴＫ技术无法完成的非开普勒轨道探测任务，有效扩和Ｌ’Ｇａｒｄ公司分别研制出２０ｍ×２０ｍ十字支撑［５］大人类的太空探索范围，为执行远距离、长时间和型太阳帆样机，进而在２０１１年成功完成Ｎａｎｏ-［６］轨道转移能量高的深空探测任务提供新的推进手Ｓａｉｌ-Ｄ薄膜帆在轨展开和拖曳离轨试验验证。［１］段。随后又由美国行星协会（ＴｈｅＰｌａｎｅｔａｒｙＳｏｃｉｅｔｙ）在国外瞄准太阳帆在光压推进和气阻拖曳离轨２０１５年成功发射ＬｉｇｈｔＳａｉ

7、ｌ立方星，并顺利展开薄［７］方面的应用，相继开展了太阳帆技术研究。俄罗膜帆。欧洲空间局（ＥＳＡ）和德国宇航中心［２］斯曾研制出叶片构型的ＣＯＳＭＯＳ-１太阳帆，但（ＤＬＲ）早在１９９９年便研制出２０ｍ×２０ｍ十字支收稿日期：２０１７-０２-２４；修回日期：２０１７-０６-１４基金项目：民用航天技术预先研究项目（Ｄ０２０２０３）第一作者：谢超，男，硕士，工程师，研究方向为空间柔性可展开结构。Ｅ-ｍａｉｌ：ｘｃｈｎｕａａ＠１２６．ｃｏｍ第４期谢超，等．大型太阳帆干扰力矩消减方法４４９［８］撑型太阳帆原理样机，随后ＥＳＡ还提出了Ｇｏｓ-行，逐渐缩短

8、日距。随后在距日０.４８ＡＵ时，利［９］ｓａｍｅｒ研制项目，计划开展太阳帆飞行试验。用太阳帆推力逐渐抬升轨道至９０°倾角，最终进总体而言，太阳帆推进技术的研究正处在