空间薄膜结构充气展开研究

院老虎，康 雪，连冬杉，陈源强，翟柯嘉

（沈阳航空航天大学航空宇航学院，沈阳110121）

许多大型空间结构的展开机构都是由空间薄膜制成，是一种发展前景较好的空间结构，与传统的机械展开方式相比，能够在一定程度上节约任务成本和降低任务风险。目前，其主要被应用在太阳帆的在轨展开、空间碎片的离轨、隧道的密封以及能量吸收系统等方面[1]。研究空间薄膜结构的展开过程平稳性，对其是否能完成空间任务具有决定性作用。

空间薄膜结构展开的理论方法有很多种，目前应用较为广泛的方法为控制体积法。Glaser 等运用了3 种充气方法对准静态薄膜进行充气展开研究，分别是控制体积法（Control volume, CV）、控制压强法（Control pressure, CP）和流⁃固耦合法（Arbitrary Lagrange⁃Euler, ALE），并进行了分析与实验[2]。程涵等基于ALE 法模拟了降落伞在低速气流下的充气展开过程，通过对数值模拟结果的分析解释了伞衣抖动以及风洞试验中伞底拍动产生巨大噪声的原因，并预测了开伞过程中的危险截面[3]。Wei 等将自支撑充气臂应用于可展开式薄膜帆上，并对该帆的折叠和展开提出了设计方案，给出了一种考虑充气压力影响的充气臂动力学特性的计算方法[4]。此外，还完成了充气重力梯度吊杆的展开动力学分析和在轨实验[5]。Block 等提出了两种超轻型可动臂的展开方式，一种是由螺旋形起重臂内部的可充气囊袋驱动，另一种是由具有直接驱动起重臂末端的电动展开装置驱动[6]。马瑞强等在Timoshenko 梁理论和哈密顿原理的基础上，推导了自支撑臂振动微分方程，进而设计出一种新型梁单元模型，其能够同时考虑充气压力的预应力和构型变化[7]。……