破解太陽帆收納難題 | 科技前線_風聞

來源：中國科學院瀋陽自動化研究所

太陽帆是利用太陽光壓驅動的航天器，具有低成本、長壽命、環境友好和可持續推進等特點，被認為是一種有可能乘載人類到達太陽系外星系的航天器。其超大面積帆面的支撐結構，必須同時滿足“高收納比”和“可靠展開”這兩個看似矛盾的要求。

中國科學院瀋陽自動化研究所研製出一種小尺寸截面、輕質高剛度的複合材料——可展收伸展臂（Deployable Composite Boom，DCB），並系統模擬了該結構在卷繞及展開過程中的非線性力學行為，為輕小型太陽帆展開機構的設計與實現提供瞭解決途徑。

▲太陽帆上輕小型可展收復合材料伸展臂

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精準預測

“摺疊”與“展開”

為了獲得更高的展開與收攏比，太陽帆通常採用碳纖維增強複合材料薄壁結構，以支撐大面積帆膜。

此類結構在捲曲和展開過程中會產生顯著的非線性力學行為（如大變形、接觸摩擦等），使得預測和控制其展收行為變得異常困難，更嚴重的會直接影響太陽帆的可靠性和使用壽命。因此亟需一種更為高效的數值分析模型來優化這種變形行為。

▲可展收復合材料伸展臂數學模型

科研團隊在經典薄壁梁理論的基礎上，創新性地引入了非線性修正項，更準確地描述臂杆從初始狀態到壓平，再到卷繞成卷的整個變形過程。

模型特別考慮了材料中性軸局部拉伸、曲率變化的非線性關係，以及材料接觸摩擦帶來的額外影響。

▲可展收復合材料伸展臂數值模型

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揭示卷繞過程中的力學規律

通過高精度數值模擬，科研團隊揭示了DCB臂杆卷收過程力學行為的影響規律：

●  應力“熱點”明晰：卷收過渡區是應力最為顯著的部位，最大綜合應力出現在下層結構最外層材料的側弧拐點處，是最易誘發失效的關鍵區域。

●  顯著的層間與區域差異：下層結構的應力水平普遍高於上層結構；外層材料承受的應力遠高於內層和中層；不同方向（X向拉伸/壓縮、Y向剪切）的應力在上下層及各層的分佈模式也存在系統性差異。

●  中層相對穩定：中層材料由於厚度相對較大，其應力分佈較內、外層更為均勻，展現出更好的承載穩定性。

▲複合材料臂杆展收過程不同層應力影響區

為了檢驗理論和模擬結果的可靠性，科研團隊搭建了專門的卷收實驗平台，通過測量不同卷收角度下的應變值和扭矩，對理論建模和仿真分析進行嚴格驗證。 

實驗測量結果顯示，應變和扭矩變化趨勢，與理論模型預測及仿真結果吻合良好，這證明了模型的有效性。

▲複合材料臂杆展收實驗裝置及測試結果

該研究系統揭示了小尺度薄壁複合材料可展開臂杆在卷折過程中的複雜力學行為，特別是明確了關鍵的高應力區域和層間應力差異規律。

這為未來設計和優化此類高性能、高收納比的太空可展開結構提供了重要的理論依據和設計指導。