力/热/光压多场耦合的太阳帆航天器框架-薄膜结构稳定性研究

In this project, the structural stability of trusses-membrane of a solar sail subjected to coupled interactions among deformation/heat flux/solar pressure is systematically studied. First, transient heat conduction of trusses-membrane structures, wrinkling of membrane and large deformation of trusses due to solar heat flux and solar pressure, solar pressure model of non-ideal solar sails are studied. Second, the coupled equations between heat flux and structural deformation, the coupled equations between solar pressure and structural deformation are derived, and then the coupled equations of a solar sail subjected to interactions among deformation/heat flux/solar pressure are established. Finally, the state equation of this coupled system is derived, by using the Lyapunov stability theory, stability criteria for a solar sail under conditions of day-night transitions in orbit and attitude maneuver, and a stability criterion for a heliogyro solar sail are established. The research results will provide an important theoretical basis and numerical tools for structural design, trajectory design and attitude control of solar sails.

本项目研究力/热/光压多场耦合作用下太阳帆航天器框架-薄膜结构的稳定性。首先，研究建立框架-薄膜结构的瞬态热传导模型、热载荷和光压载荷作用下薄膜褶皱与支撑框架大变形模型、非理想太阳帆光压理论模型；然后，推导结构变形、热流载荷与光压载荷之间的耦合关系，建立框架-薄膜结构的力/热/光压多场耦合动力学模型；最后，建立系统非线性状态方程，采用李雅普诺夫非线性系统稳定性理论，给出太阳帆在进出地球阴影、姿态调整和旋转飞行三种工况下的结构稳定性条件。研究成果将为太阳帆航天器结构设计、轨道设计和姿态控制等研究提供关键科学理论支持与数值仿真工具。

本项目以太阳帆航天器框架-薄膜结构为研究对象。首先，建立了太阳帆框架-薄膜结构的瞬态热传导分析方法，该方法考虑了空间热辐射的非线性，将二维问题转化为一维问题，提高了计算效率，计算准确性已得到商业有限元软件和现有文献的验证；接着，根据热弹性本构关系，推导了温度场梯度在框架-薄膜结构上引起的等效温度载荷，推导了结构变形与热流载荷、结构变形与光压载荷之间的耦合关系，建立了太阳帆框架-薄膜结构的力/热/光压多场耦合动力学分析方法，数值预测了太阳帆框架-薄膜结构颤振的发生，厘清了太阳帆结构发生颤振的力学机理；然后，对条带式太阳帆结构的振动特性和结构稳定性进行研究，将太阳帆看作是由若干个桅杆-膜带组件依次连接而成的整体结构，采用分布传递函数法建立了的条带式太阳帆的结构动力学模型，推导了条带式太阳帆结构自由振动和失稳载荷的求解方法；研究条带式太阳帆在近地轨道运行进出地球阴影时的热致结构动力学响应，建立了在太阳热辐射和光压共同作用下的太阳帆结构动力学方程，采用分布传递函数法，给出了条带式太阳帆热致结构稳态振动幅频响应的计算方法；最后，将太阳帆框架-薄膜结构的力/热/光压多场耦合动力学模型降阶，建立了太阳帆多场耦合系统的非线性状态方程，分析了太阳帆在进出地球阴影、姿态机动和自旋飞行时的热流载荷和光压载荷特点，采用非线性系统稳定性分析理论，给出了太阳帆框架-薄膜结构在发生力/热/光压多场耦合颤振的分析结果。本项目针对太阳帆框架-薄膜结构，建立了完整的力/热/光压多场耦合动力学分析方法，达到了项目预定研究目标。