太阳帆航天器展开结构技术综述_霍倩

第 39 卷第 1 期航 天 器 环 境 工 程Vol. 39, No. 1 2022 年 2 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING1 E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544航天器超静平台作动器发展及其关键技术综述叶田园1,2，庞贺伟3，周元子4*，宗 红4，刘守文1,2（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 航天机电产品环境可靠性试验技术北京市重点实验室；3. 中国空间技术研究院；4. 北京控制工程研究所：北京 100094）摘要：星载有效载荷的灵敏度和有关性能指标的提高对航天器控制系统的精度和稳定度提出越来越高的要求。

具有隔振、抑振及精确指向功能的航天器超静平台得到广泛关注。

超静平台作动器作为实现平台功能的核心执行部件，其质量优劣决定了平台的性能、可靠性和使用寿命。

文章综述国内外不同种类超静平台作动器的性能特点、应用背景及技术发展概况，归纳总结高效率音圈电机技术、长寿命挠性元件技术、地面试验验证技术等关键技术；最后针对未来高精度星载光学载荷的应用需求，探讨了我国在超静平台作动器方面可进一步开展的研究内容。

关键词：超静平台；作动器；挠性元件；隔振；综述中图分类号：V414.5; V416.6文献标志码：A文章编号：1673-1379(2022)01-0001-10 DOI: 10.12126/see.2022.01.001Overview of the development and key technologies of actuator forspacecraft ultra-quiet platformYE Tianyuan1,2, PANG Hewei3, ZHOU Yuanzi4*, ZONG Hong4, LIU Shouwen1,2(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering; 2. Beijing Key Laboratory of Environmental & Reliability TestTechnology for Aerospace Mechanical & Electrical Products; 3. China Academy of Space Technology;4. Beijing Institute of Control Engineering: Beijing 100094, China)Abstract: The improvement of the sensibility and other related performance indicators of satellite-borne payloads calls for higher precision and stability of the spacecraft control system, and the spacecraft ultra-quiet platform with vibration isolation/depression and precise pointing functions has widespread attention. As the key executive component to realize the functions of the ultra-quiet platform, the actuator plays a decisive role for the task reliability and the lifetime of the platform. In this paper, the actuators of ultra-quiet platform are classified, and discussed according to their performance characteristics, the task background, and the technical development. In addition, the key technologies with respect to the high-efficiency voice coil motor, the long-life flexible element, and the ground test verification are reviewed. Finally, in view of the application requirements of high-precision spaceborne optical payloads in the future, some suggestions are made on the research projects worth to be further carried out in the field of the ultra-quiet platform actuator.Keywords: ultra-quiet platform; actuator; flexible element; vibration isolation; review收稿日期：2021-07-29；修回日期：2022-02-25引用格式：叶田园, 庞贺伟, 周元子, 等. 航天器超静平台作动器发展及其关键技术综述[J]. 航天器环境工程, 2022, 39(1): 1-10YE T Y, PANG H W, ZHOU Y Z, et al. Overview of the development and key technologies of actuator for spacecraft ultra-quiet platform[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2022, 39(1): 1-100 引言当前天基天文观测、高分辨率对地观测等航天任务对航天器的控制精度提出了极高的要求。

目录摘要 (i)ABSTRACT ......................................................................................................... i i 第一章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究进展 (4)1.2.1 拉格朗日点轨道动力学 (4)1.2.2 太阳帆航天器轨道动力学 (6)1.2.3 拉格朗日点轨道保持控制 (6)1.3 论文主要研究内容和结构安排 (7)第二章圆形限制性三体问题 (9)2.1 引言 (9)2.2 坐标系统及相互转换 (9)2.2.1 坐标系统 (9)2.2.2 坐标系统间相互转换 (11)2.3 圆形限制性三体问题的动力学模型 (12)2.3.1 基本假设 (12)2.3.2 动力学模型 (12)2.4 基本动力学特征 (13)2.5 本章小结 (17)第三章太阳帆航天器地月系统动力学建模 (18)3.1 引言 (18)3.2 太阳光压推力模型 (18)3.3 瞬时地心会合坐标系相对J2000坐标系的角速度 (20)3.4 太阳帆航天器拉格朗日点动力学建模 (23)3.4.1 太阳帆航天器动力学方程推导 (23)3.4.2 摄动条件下的L2点状态信息 (24)3.5 本章小结 (26)第四章太阳帆航天器拉格朗日点轨道设计 (27)4.1 引言 (27)4.2 拉格朗日点轨道设计方法 (27)4.2.2 二级微分修正 (30)4.2.3 多重打靶法 (32)4.3 初值轨道求解 (33)4.3.1 共线拉格朗日点附近运动方程的高阶展开式 (33)4.3.2 一阶lissajours轨道 (34)4.3.3 三阶Halo轨道 (36)4.4 太阳帆航天器地月系统Lissajous轨道设计 (37)4.4.1 算法流程 (37)4.4.2 Lissajous轨道数值改进 (38)4.5 太阳帆航天器地月系统Halo轨道设计 (39)4.4.1 算法流程 (39)4.4.2 Halo轨道初值矫正及轨道族 (40)4.4.3 Halo轨道数值改进 (41)4.6 本章小结 (43)第五章太阳帆航天器地月拉格朗日点轨道保持控制 (44)5.1 引言 (44)5.2 LQR轨道保持控制器分析与设计 (44)5.2.1 LQR轨道保持控制器分析 (44)5.2.2 LQR轨道保持控制器设计 (46)5.3 仿真结果与分析 (47)5.4 结论 (51)结束语 (52)致谢 (53)参考文献 (54)作者在学期间取得的学术成果. (59)附录A Halo轨道三阶近似解参数 (60)表1.1 拉格朗日点任务概况 (1)表2.1 地月系统圆形限制性三体问题下的共线拉格朗日点 (16)表4.1 校正前后的初值位置矢量 (41)表4.2 轨道族z轴幅值与周期 (41)表5.1 初始入轨误差 (47)表5.2 LQR轨道保持控制器参数 (47)图1.1 日本JAXA的IKAROS太阳帆空间展开示意图 (3)图1.2 美国NASA的Nano Sail-D 太阳帆地面试验图 (3)图1.3 美国NASA的Nano Sail-D太阳帆空间展开示意图 (3)图2.1 质心会合坐标系 (9)图2.2 L2点会合坐标系 (10)图2.3 地心会合坐标系 (10)图2.4 零速度面随Jacobi积分常数C的变化情况 (14)图2.5 共线平动点与主天体的相对位置 (15)图3.1 太阳光压推力示意图 (18)图3.2 理想太阳帆受力示意图 (19)图3.3 瞬时地心会合坐标系与J2000坐标系欧拉转换示意图 (21)图4.1 微分修正示意图 (29)图4.2 多重打靶法示意图 (32)图4.3 地月系统圆形限制性三体问题一阶Lissajous轨道 (36)图4.4 地月系统圆形限制性三体问题三阶Halo轨道 (37)图4.5 数值改进后的lissajous轨道（瞬时地心会合坐标系下） (38)图4.6 数值改进后的lissajous轨道（L2点会合坐标系下） (39)图4.7 地月系统圆形限制性三体问题下Halo初值校正前后对比图 (40)图4.8 地月系统圆形限制性三体问题下Halo轨道轨道族 (41)图4.9 数值改进后的Halo轨道（瞬时地心会合坐标系下）） (42)图4.10 数值改进后的Halo轨道（L2点会合坐标系下） (42)图5.1 太阳光线在瞬时地心会合坐标系下的方向角 (46)图5.1 初始入轨误差下控制量α角控制曲线，下图为局部放大图 (48)图5.2 初始入轨误差下控制量δ角控制曲线，下图为局部放大图 (49)图5.3 控制后轨道相对标称轨道的偏差，[1,1,1,0,0,0]=Q (50)diag图5.4 控制后轨道相对标称轨道的偏差，[1000,1000,1000,0,0,0]Q (51)diag=摘要太阳帆航天器以其无需消耗工质且为长时间连续小推力的优势成为深空探测任务中的理想航天器；拉格朗日点因其特殊的空间位置，能为多种特殊任务例如中继通信、对日对月观测及深空探测提供理想的任务平台，得到各航天大国的关注。

太阳帆航天器三维动画可视化仿真平台的设计与实现论文太阳帆航天器三维动画可视化仿真平台的设计与实现论文0 引言太阳帆航天器是一种在深空探测和星际航行等领域极具潜力的新型航天器，利用太阳光压产生持续推力，给航天器提供持续动力，本身无需携带大量的燃料，因此在深空探测和星际航行等航天领域具有广阔的应用前景，近年来受到国际航天界的广泛关注。

美国宇航局(NASA)、日本宇航局(JAXA)、欧洲航天局(ESA)等多个世界研究机构正在研制利用太阳帆航天器进行推进任务(如Pole Site、Geosail、Geostorm等)，但是，离利用太阳帆进行深空探测及星际航行还有一定的距离，还有一系列的关键技术需要攻克。

针对太阳帆航天器进行一次太空航行任务，需要高额的成本，本文提供了一种经济且有效的方式，研究并开发了一套三维可视化仿真平台，利用仿真平台模拟太阳帆航天器的飞行情况，为实际太阳帆航天器飞行提供一定的参考。

截止目前，未发现有关太阳帆航天器可视化仿真平台的'文献。

本文利用C++6.0、Multigen Creator/Vega、及MATLAB等软件相结合搭建了一个太阳帆三维动画可视化仿真平台。

利用视点控制及多通道多视点技术分别在不同的通道中观察太阳帆的飞行轨迹及姿态变化;通过VC++与MATLAB的交互编程，利用MAT文件的仿真数据驱动多个物体同时移动;利用Vega和OpenGL混合编程，实现了飞行轨迹及姿态信息实时显示的功能。

1 太阳帆航天器三维动画可视化仿真平台总体设计三维动画可视化仿真系统主要由太空飞行仿真场景及视景仿真模型两大部分构成。

飞行仿真场景是指太阳帆所飞行的具体环境;视景仿真模型是指太阳帆航天器的具体结构模型。

本文首先利用Creator建立太空环境飞行仿真场景(太空环境)和太阳帆航天器的结构视景仿真模型(flt文件);接着利采用Vega提供的Lynx工具将flt文件导入相应的场景中，然后，进行一系列的初始化工作，并将其储存为应用程序定义文件(ADF)文件;最后，通过MATLAB 计算各个时刻太阳帆的飞行轨迹和姿态数据，并通过载入模型对象的位置及姿态数据，完成对太阳帆的飞行轨迹和姿态变化的三维可视化仿真。

航天器太阳帆板简单介绍XXXXXXXXXXXXXXX摘要：近几年世界各国家对于航天事业的关注越来越大，航天器的研究也越来越广泛，而作为航天器的主流能源供给系统的太阳电池阵也在技术、结构等方面不断地得到提升，逐步适应各种高难度复杂的航天要求。

本文便是针对航天器中太阳帆板的相关资料进行的整理，主要包括其分类、各相关技术的研究已经国内外的现今研究成果。

关键词：航天器太阳帆板；太阳翼；太阳电池阵；……The Brief of Spacecraft Solar PanelsAbstract : In recent years，the global world is paying more and more attention on the space industry, and the study of spacecraft is becoming more and more widely. As the mainstream of the spacecraft’s energy supply systems, the solar array is getting better in technology, structure and so on, to adapting to all kinds of the harder and harder space requirement. This article is written for something about the spacecraft solar panels, from the collations. It mainly include the classification and the relevant technology research home and abroad.Key words: spacecraft solar panels; solar wing; solar array;……【引言】对于航天器，我们所知甚少，而太阳帆板，就少之又少。

IKAROS太阳帆第一阶段展开过程的动力学行为分析
胡伟鹏;淮雨露;徐萌波;薛荣刚;邓子辰
【期刊名称】《应用力学学报》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】空间结构的在轨展开涉及到复杂的高维强非线性动力学问题,这些动力学问题的建模及仿真技术是航天动力学领域的难题,也是对在轨展开过程施加控制的前提条件。

本研究以IKAROS太阳帆在轨第一阶段展开过程为例,基于哈密顿变分原理,建立中心刚体-主动伸长柔性梁耦合动力学模型;采用保结构分析方法,关注动力学系统的局部动力学行为,在恒定转矩驱动和恒定功率驱动两种工况条件下,对IKAROS太阳帆第一阶段展开过程进行仿真;发现两种工况条件下的中心刚体转动角速度演化规律差别显著,恒定转矩做功将导致中心刚体的转动稳定性变差,同时,恒定功率驱动工况下,IKAROS太阳帆第一展开阶段节能效果较好。

【总页数】6页(P100-105)
【作者】胡伟鹏;淮雨露;徐萌波;薛荣刚;邓子辰
【作者单位】西安理工大学土木建筑工程学院;北方工程设计研究院有限公司;西北工业大学力学与土木建筑学院
【正文语种】中文
【中图分类】O322
【相关文献】
1.大型太阳帆薄膜折叠及展开过程数值分析
2.太阳帆充气支撑管展开动力学分析
3.卫星太阳帆板展开的动力学仿真分析与应用
4.黏弹性薄膜太阳帆自旋展开动力学分析
5.空间望远镜层合材料镜片展开过程非线性动力学行为分析
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展开阳光的翅膀--介绍太阳帆航天器
郑晓春
【期刊名称】《太阳能》
【年(卷),期】2000(000)001
【摘要】@@ 30年前,当3名宇航员乘坐阿波罗11号宇宙飞船实现具有历史意义的登月之旅时,20多米高的运载火箭共携带了2500吨燃料.为了摆脱庞大的运载工具,长期以来,人们一直设想开发一种以阳光为能源的光帆航天器.
【总页数】2页(P16-17)
【作者】郑晓春
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TK51
【相关文献】
1.基于ADAMS航天器太阳帆板展开与锁定动力学仿真 [J], 白争锋;田浩;赵阳
2.太阳帆航天器展开机构柔性动力学建模 [J], 胡洁;杨萱
3.基于小波逼近的航天器太阳帆板展开过程最优控制的遗传算法(英文) [J], 张奇志;戈新生;刘延柱
4.带太阳帆板航天器姿态最优控制的小波展开法 [J], 戈新生;张奇志;刘延柱
5.航天器太阳帆板展开过程最优控制的自适应Gauss伪谱法 [J], 董雪仰;戈新生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

太阳帆船技术的原理及应用太阳帆船，作为一种以太阳能为能源的帆船，近年来在绿色交通领域得到了广泛的关注和应用。

太阳帆船以太阳能为驱动力，无需燃油，具有零排放和无噪音污染的特点，是一种环保、可持续的交通工具。

本文将从太阳帆船技术的原理、应用和未来发展方向等方面进行探讨。

太阳帆船技术的原理太阳帆船利用的是太阳能的光子动能，将光子的动能转化为电能，再利用电能转化成动力推进帆船。

具体来说，太阳帆船采用了太阳光电池板（solar panel）将太阳光能转化为电能，再利用电能驱动电动机（Electric motor）和蓄电池（Battery）带动风帆的航行。

太阳光电池板是太阳帆船的核心部件，是将太阳光能转化为电能的主要装置。

太阳光电池板的结构是由多个光伏电池组合而成，每个光伏电池是由多个硅、锗等半导体材料组合而成。

太阳光电池板的工作原理是当太阳光照射到光伏电池表面时，光子被电子吸收产生电子激发，从而形成了电势差，电势差的大小取决于太阳光的强度和光伏电池的电学特性。

这样，就能够将太阳光能转化为电能。

电动机是太阳帆船的另一个重要部件，它能够将太阳光能转化为动力推进帆船。

电动机是一种能够将电能转化为机械能的装置，它是带动太阳帆船前进的动力源。

电动机的特点是效率高、响应迅速，并且不会产生污染和噪音。

蓄电池是太阳帆船的能量储存部件，它能够将太阳光能转化为储存能量，以备不时之需。

太阳光电池板通过充电器将电能储存在蓄电池中，以备随时使用。

太阳帆船技术的应用太阳帆船技术广泛应用于游艇、船只、航海和探险等领域，并且随着技术的不断发展，其应用场景也越来越多。

在游艇领域，太阳帆船以其舒适、环保和节能等特点，成为了游艇市场的热门选择。

太阳帆船的船体稳定、驾驶操控容易，无需燃油，可以长时间航行，非常适合进行海上旅行和探险等活动。

在航海和探险领域，太阳帆船能够根据太阳光的方向和强度进行智能调整，以保证帆船始终朝向太阳并且最大效率地利用太阳光能。

太阳帆驱动系统研究随着技术和科学的发展，人类对太空探索的兴趣与日俱增。

而太空探索中的能源问题也一直备受关注。

随着研究的不断深入，太阳帆驱动系统成为了一种备受瞩目的能源利用方式。

太阳帆驱动系统（Solar Sail）是一种利用太阳能驱动的探测系统，它以太阳能为动力，利用太阳帆的反射和吸收辐射压力，不需要任何其他能源便能够前往太空探索。

因此，太阳帆驱动系统在长途航行、月球和火星的探测等方面有着广泛的应用前景。

太阳帆驱动系统的主要构成是太阳帆和控制系统。

太阳帆是一种薄膜，通常由聚酯或聚邻苯二甲酸乙二酯等材料制成，具有轻巧、柔韧、抗压强度高等特点。

控制系统包括方向调整、姿态控制和导航等功能。

其核心技术是利用辐射压力调整太阳帆的速度和方向，完成航行和探索任务。

太阳帆驱动系统的优点在于其简便、环保、节能和高效等方面。

相比于传统的化学推进系统，太阳帆驱动系统能够降低重量和体积、提高速度和精度，同时减少污染和能源损耗。

此外，太阳帆驱动系统还具有多次加速和漂移、卫星激光通讯和星际探测等独特的应用价值。

尽管太阳帆驱动系统具有众多的优点和应用前景，但是其研究和应用仍然面临着一系列的挑战。

首先，太阳帆的尺寸和结构对于航行和控制起着极其重要的作用，研究和设计太阳帆需要考虑到材料、形状、大小、重量等多重因素，需要大量的实验和计算。

其次，太阳帆的控制系统需要高度的精准度和稳定性，包括姿态控制和方向调整等功能，需要大量的技术和数据支持。

最后，太阳帆驱动系统需要充足的太阳能供应和电池存储，如何实现长时间的稳定运行是一个值得深入研究的问题。

在未来，太阳帆驱动系统有着广阔的发展前景和应用空间。

目前，太阳帆已经被成功应用于多项深空探测项目中，如IKAROS、NanoSail-D、LightSail等。

这些项目不仅得到了交叉学科的广泛关注和认可，也为未来太空探索和科技发展提供了丰富的素材和经验。

未来，太阳帆驱动系统还有望应用于深空通讯、外太阳系探索、星球防御等领域，成为探索太空的重要方式和手段。