基于混雜非對(duì)稱復(fù)合材料的自適應(yīng)對(duì)日定向器

江 霆,李 昊,陸國(guó)平,王 彥,周徐斌

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

0 引 言

近年來(lái)，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，智能可變形結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的性能正受到越來(lái)越多的關(guān)注，智能可變形結(jié)構(gòu)通常能夠通過(guò)改變其形狀來(lái)適應(yīng)不同的外部條件，最常見(jiàn)的如可變形機(jī)翼。目前大多數(shù)智能可變形結(jié)構(gòu)通過(guò)利用智能材料，如壓電材料[1]或形狀記憶材料來(lái)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)偏離其平衡位置以發(fā)生變形[2]。這些可變形結(jié)構(gòu)通常需要持續(xù)的能量輸入來(lái)維持結(jié)構(gòu)的變形，因此需要在變形體系中植入一定的加載設(shè)備、控制設(shè)備和載荷維持設(shè)備等，這必然會(huì)大大增加結(jié)構(gòu)的重量，不利于可變形結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域上的應(yīng)用[3]。

衛(wèi)星在靜止軌道運(yùn)行時(shí)所需能量主要由太陽(yáng)能翼提供。面積一定的太陽(yáng)翼提供能量的大小主要取決于其法線方向和太陽(yáng)矢量方向之間的夾角β。β越小，其吸收太陽(yáng)光輻射能量的有效面積越大，效率越高，輸出功率越大。國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星太陽(yáng)翼對(duì)日定向的方式主要包括固定展開(kāi)式、單自由度驅(qū)動(dòng)、單自由度加偏置角、雙自由度驅(qū)動(dòng)、三自由度驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。目前，國(guó)內(nèi)外最常采用的定向方式是單自由度對(duì)日定向方式。衛(wèi)星在靜止軌道運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)翼上太陽(yáng)光入射角變化主要由兩方面因素造成：一是衛(wèi)星隨地球自轉(zhuǎn)；二是衛(wèi)星隨地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。前者導(dǎo)致太陽(yáng)光入射角的變化屬于快變化，后者導(dǎo)致太陽(yáng)光入射角變化屬于慢變化。單自由度對(duì)日定向方式解決了快變化問(wèn)題，而忽略了慢變化問(wèn)題。單自由度加偏置的方式不僅解決了太陽(yáng)光入射角快變化問(wèn)題，也通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)的方式解決了太陽(yáng)光入射角慢變化問(wèn)題。然而，通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)翼對(duì)日定向會(huì)對(duì)某些衛(wèi)星有效載荷功能的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生影響，如對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。

單向碳纖維增強(qiáng)預(yù)浸料在垂直于纖維方向的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于沿纖維方向的熱膨脹系數(shù)，因此在非對(duì)稱層合板或混雜金屬層非對(duì)稱層板中，由于鋪層之間殘余熱應(yīng)變不匹配，導(dǎo)致非對(duì)稱層板在固化后內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生明顯的固化變形[4]。試驗(yàn)及理論研究顯示，非對(duì)稱復(fù)合材料層合板隨著溫度的變化將產(chǎn)生大變形，因此非對(duì)稱層板可同時(shí)作為承載結(jié)構(gòu)和變形構(gòu)件，其在可變形結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[5-12]。本文基于混雜非對(duì)稱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱變形提出并設(shè)計(jì)了一種新型太陽(yáng)翼自適應(yīng)對(duì)日定向器，通過(guò)利用日照變化引起的混雜非對(duì)稱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)溫度變化，進(jìn)而混雜非對(duì)稱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形并驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)翼轉(zhuǎn)動(dòng)，解決太陽(yáng)光入射角慢變化問(wèn)題。該定向器結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單自由度定向器，可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)翼的雙自由度對(duì)日定向。

本文首先建立混雜非對(duì)稱層合板的熱變形預(yù)測(cè)模型，構(gòu)建基于非對(duì)稱混雜層合板的自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)并分析其變形及轉(zhuǎn)動(dòng)特性；在第三部分，本文基于地球靜止軌道(GEO)的光照條件，分析自適應(yīng)對(duì)日定向器的溫度變化并計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)角度；在第四部分本文對(duì)自適應(yīng)對(duì)日定向器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，并給出一種自適應(yīng)對(duì)日定向器的優(yōu)化方案，使得GEO軌道上太陽(yáng)能帆板法向與陽(yáng)光之間最大夾角始終小于±1°，滿足±2°的性能指標(biāo)要求。

1 非對(duì)稱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱變形分析

本節(jié)采用Rayleigh-Ritz法建立混雜非對(duì)稱復(fù)合材料層合板的大變形理論預(yù)測(cè)模型，分析層合板溫度變形特性，同時(shí)采用有限元的方法對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)兩者的分析結(jié)果進(jìn)行比較。

1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱變形分析模型

取層合板中面為x-o-y坐標(biāo)面，z軸垂直于板中面，z軸取向上為正，混雜非對(duì)稱層合板分析坐標(biāo)系如圖1所示。層合板第k層位于厚度方向zk與zk+1之間，zk+1-zk=tk,tk表示第k層厚度。經(jīng)典層合板理論指出復(fù)合材料層合板第k層應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εk=ε0+zκ

(1)

圖1 混雜非對(duì)稱層合板分析坐標(biāo)系Fig.1 The coordinate system of analyzing hybrid asymmetric laminates

對(duì)于混雜非對(duì)稱復(fù)合材料層合板非線性大變形，中面應(yīng)變與中面位移關(guān)系可表示為

(2)

單位長(zhǎng)度層合板上的合力和合力矩為

(3)

式中：Δκ=κ-κ0=[κx-κx 0,κy-κy 0,κxy-κxy 0]T表示中面曲率變化量，κ0=[κx 0,κy 0,κxy 0]T表示初始中面曲率。A，D，B分別表示面內(nèi)剛度矩陣，彎曲剛度矩陣，耦合剛度系數(shù)矩陣。

層合板熱合力和熱合力矩為：

(4)

(5)

(6)

則中面應(yīng)變及中面曲率為

(7)

(8)

式中：ɑ，b，c，d均為常數(shù)。

層合板殘余合力和殘余合力矩分別為：

(9)

設(shè)混雜復(fù)合材料層合板寬為L(zhǎng)x,長(zhǎng)度為L(zhǎng)y,則混雜復(fù)合材料層合板的總應(yīng)變能：

NTε0-MTΔκ)dy]dx

(10)

根據(jù)能量變分原理，將式(10)分別對(duì)ɑ，b，c,d求偏導(dǎo)，并令其為0，得：

(11)

求解式(3)～式(11)可以得到ɑ，b，c，d的值，即中面應(yīng)變?chǔ)?及中面曲率κ。式(11)通常存在多組解，因此必須對(duì)計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性進(jìn)行分析，即雅可比矩陣必須為正定矩陣：

(12)

1.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱變形分析結(jié)果

混雜復(fù)合材料鋪層材料選擇碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂及鋁合金，材料具體參數(shù)見(jiàn)表1。層合板的固化溫度為T(mén)0=180℃，采用第1.1節(jié)的熱變形模型及有限元方法分析50 mm×100 mm，初始曲率κ0=[0,0,0]T，[Alt=0.5 mm/Ct=0.5 mm]復(fù)合材料層合板恢復(fù)到常溫T=20 ℃時(shí)的形狀。

表1 混雜復(fù)合材料層合板鋪層材料屬性Table 1 Hybrid composite laminate material properties

采用ABAQUS建立有限元模型，模型采用S4R殼單元，單元數(shù)量200。分析結(jié)果如圖2所示，圖中黑色點(diǎn)代表FEA預(yù)測(cè)值，網(wǎng)格表示理論模型預(yù)測(cè)值。圖2表明理論模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與有限元模型的預(yù)測(cè)結(jié)果吻合很好。在內(nèi)部殘余熱應(yīng)力的作用下，[Alt=0.25 mm/Ct=0.25 mm]復(fù)合材料層合板沿著x方向彎曲。

圖2 50 mm×100 mm混雜復(fù)合材料層合板變形預(yù)測(cè)結(jié)果(T=20 ℃)Fig.2 Prediction results of the deformation of 50 mm×100 mm composite laminate(T=20 ℃)

假設(shè)混雜復(fù)合材料層合板的初始曲率為κ0=[κx 0,0,0]T。分別分析κx 0=25 m-1和κx 0=50 m-1時(shí)，層合板在常溫(T=20 ℃)下的變形，變形結(jié)果如圖3和圖4所示?；祀s復(fù)合材料層合板的弦長(zhǎng)變形：

(13)

圖3及圖4中，理論模型所預(yù)測(cè)的弦長(zhǎng)變形量Δx與有限元模型預(yù)測(cè)結(jié)果相比誤差分別4.49%和2.40%。

圖3 50 mm×100 mm，κx 0=25 m-1混雜復(fù)合材料層合板變形預(yù)測(cè)結(jié)果(T=20 ℃)Fig.3 Prediction results of the deformation of 50 mm×100 mm, κx 0=25 m-1 composite laminate(T=20 ℃)

圖4 50 mm×100 mm，κx 0=50 m-1混雜復(fù)合材料層合板變形預(yù)測(cè)結(jié)果(T=20 ℃)Fig.4 Prediction results of the deformation of 50 mm×100 mm, κx 0=50 m-1 composite laminate(T=20 ℃)

當(dāng)溫度層合板的在-100～250℃變化時(shí)，不同初始曲率的層合板弦長(zhǎng)變形隨溫度變化曲線Δx-T的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示。計(jì)算結(jié)果顯示，在-100～180 ℃范圍內(nèi)，50 mm×100 mm，[Alt=0.25 mm/Ct=0.25 mm]初始曲率(初始彎曲弧度)越大，其在x方向上的弦長(zhǎng)變化量越大。初始曲率為50 m-1(初始彎曲弧度為π)時(shí)，50 mm×100 mm的[Alt=0.25 mm/Ct=0.25 mm]層合板弦長(zhǎng)在x方向變形量達(dá)到其初始弦長(zhǎng)的11.16%。

圖5 不同初始曲率50 mm×100 mm [Al/C]層合板弦長(zhǎng)變形Δ x-T曲線Fig.5 Relationship between chord length deformation of 50 mm×100 mm [Al/C] laminate board and initial curvature

2 自適應(yīng)對(duì)日定向器原理

前文分析表明，混雜非對(duì)稱復(fù)合材料[Al/C]層合板的溫度發(fā)生變化時(shí)，在內(nèi)部熱應(yīng)力的作用下，將產(chǎn)生大變形，且相同尺寸的層合板，變形量隨初始彎曲弧度(初始曲率)的增大而增大。本文選擇層合板初始彎曲弧度為π，并基于混雜非對(duì)稱復(fù)合材料[Al/C]層合板變形-溫度相關(guān)性，提出了一種基于[Al/C]層合板的太陽(yáng)翼自適應(yīng)對(duì)日定向機(jī)構(gòu)。對(duì)日定向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元如圖6所示，太陽(yáng)翼自適應(yīng)對(duì)日定向機(jī)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖7。

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)單元示意圖Fig.6 Schematic diagram of drive unit of rotary mechanism

圖7 太陽(yáng)翼轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of solar wing rotating mechanism

對(duì)日定向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元由兩塊半圓形混雜非對(duì)稱復(fù)合材料層合板串聯(lián)而成，串聯(lián)的兩個(gè)層合板之間安裝一塊遮光板。非對(duì)稱層合板鋪層數(shù)為兩層，材料采用金屬鋁和碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂。碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂層采用單向預(yù)浸料沿層合板彎曲方向鋪設(shè)，鋪層角度為0°。在單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元中，兩塊混雜復(fù)合材料層合板的鋪層順序不同，分別為[Al/C]和[C/Al]。對(duì)于非對(duì)稱鋪層的[Al/C]層合板和[C/Al]層合板，當(dāng)層合板溫度均升高時(shí)，[Al/C]層合板將發(fā)生收縮，[C/Al]層合板將發(fā)生膨脹；相反，當(dāng)溫度均降低時(shí)，[Al/C]層合板將發(fā)生膨脹，[C/Al]層合板將發(fā)生收縮。圖7中驅(qū)動(dòng)單元 1和驅(qū)動(dòng)單元 2對(duì)稱設(shè)置。從左至右，驅(qū)動(dòng)單元 1和驅(qū)動(dòng)單元 2中層合板設(shè)置為[Al/C]，[C/Al]，[C/Al]及[Al/C]。當(dāng)太陽(yáng)光從左側(cè)照射時(shí)，由于遮光板的存在，驅(qū)動(dòng)單元 1和驅(qū)動(dòng)單元 2的左側(cè)層合板溫度升高，右側(cè)層合板溫度降低。根據(jù)混雜非對(duì)稱層合板變形與溫度的關(guān)系，驅(qū)動(dòng)單元 1整體表現(xiàn)為收縮，驅(qū)動(dòng)單元 2整體表現(xiàn)為膨脹，兩者的變形及產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力最終驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)翼的對(duì)日定向。基于自適應(yīng)對(duì)日定向器的雙自由度太陽(yáng)翼效果圖如圖8所示。

圖8 基于自適應(yīng)對(duì)日定向器的雙自由度太陽(yáng)翼Fig.8 The solar wing having two-degree of freedom based on adaptive sun tracker

3 對(duì)日定向器驅(qū)動(dòng)位移分析

本文以尺寸為700 mm×340 mm×10 mm的太陽(yáng)翼單元帆板為驅(qū)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)日定向器設(shè)計(jì)和研究。根據(jù)帆板的尺寸，在考慮滿足安裝空間及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不發(fā)生干涉的條件下，選擇半圓形混雜非對(duì)稱復(fù)合材料層合板x方向弦長(zhǎng)為40 mm,即初始曲率κx0=50 m-1，初始狀態(tài)[Ct=0.5 mm/Alt=0.5 mm]層合板結(jié)構(gòu)的右側(cè)到軸O的距離D=64 mm。

本文基于地球靜止軌道空間熱環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)對(duì)日定向器設(shè)計(jì)[15-16]。在傳統(tǒng)單自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下，從冬至日至夏至日，太陽(yáng)光與太陽(yáng)翼法向夾角β的變化范圍為±23.5°。本文采用SINDA/FLUINT軟件建立靜止軌道衛(wèi)星熱分析模型，分析定向器溫度場(chǎng)。定向器有限元熱分析模型如圖9所示，模型參數(shù)見(jiàn)表2。取圖7中驅(qū)動(dòng)單元 1作為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。驅(qū)動(dòng)單元中，層合板的鋪層分別為[Ct=0.5 mm/Alt=0.5 mm]和[Alt=0.5 mm/Ct=0.5 mm]。當(dāng)太陽(yáng)光入射角β=23.5°時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元的溫度場(chǎng)沿x方向分布情況如圖11所示。

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameters

表3 驅(qū)動(dòng)單元 1結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Driver element 1 structure parameters

圖9 定向器有限元熱分析模型Fig.9 Thermal analysis FEA model of sun tracker

圖10 驅(qū)動(dòng)單元 1 [Ct=0.5 mm/Alt=0.5 mm]和[Alt=0.5 mm/Ct=0.5 mm]結(jié)構(gòu)在β=23.5°時(shí)溫度場(chǎng)沿x方向分布情況Fig.10 Temperature field distribution along the x direction of[Ct=0.5 mm/Alt=0.5 mm] and [Alt=0.5 mm/Ct=0.5 mm] structures of driver element 1 with β=23.5°

定向器復(fù)合材料層合板的平均溫度T與太陽(yáng)光入射角β的關(guān)系如圖11所示。圖11表明，[Ct=0.5 mm/Alt=0.5 mm]層合板結(jié)構(gòu)和[Alt=0.5 mm/Ct=0.5 mm]層合板結(jié)構(gòu)的溫度在x方向及y方向的變化梯度較小。

圖11 定向器復(fù)合材料層合板平均溫度T與入射角β關(guān)系Fig.11 The relationship between the average temperature T of the composite laminates of the sun tracker and the incident angle β

計(jì)算結(jié)果表明，受照側(cè)[Ct=0.5 mm/Alt=0.5 mm]層合板的溫度和陰影側(cè)[Alt=0.5 mm/Ct=0.5 mm]層合板的溫度隨入射角基本呈線性變化。取圖7中驅(qū)動(dòng)單元 1作為研究對(duì)象，遮光板左側(cè)為[Ct=0.5 mm/Alt=0.5 mm]層合板結(jié)構(gòu)，遮光板右側(cè)為[Alt=0.5 mm/Ct=0.5 mm]層合板結(jié)構(gòu)。初始條件T0=20 ℃，將仿真分析得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)作為載荷，建立驅(qū)動(dòng)單元的有限元模型并分析其熱變形。驅(qū)動(dòng)單元 1整體結(jié)構(gòu)熱變形Δx與陽(yáng)光入射角β的關(guān)系曲線如圖13所示。計(jì)算結(jié)果表明，隨陽(yáng)光入射角β的增加，驅(qū)動(dòng)單元 1的整體結(jié)構(gòu)熱變形Δx隨入射角基本呈線性變化，即驅(qū)動(dòng)單元 1整體驅(qū)動(dòng)位移隨入射角基本呈線性變化。

圖12 驅(qū)動(dòng)單元 1整體結(jié)構(gòu)熱變形Δx與β關(guān)系曲線Fig.12 Relationship between the thermal deformation Δx of the driver element 1 and the incident angle β

4 自適應(yīng)對(duì)日定向器對(duì)日定向分析

根據(jù)圖7中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系可知，定向器轉(zhuǎn)角φ與驅(qū)動(dòng)器的熱變形Δx滿足關(guān)系式：

(14)

圖13 定向器FEA模型Fig.13 The rotation FEA model of the adaptive sun tracker

初始溫度T0=20 ℃，將圖11中不同太陽(yáng)光入射角對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)溫度T作為輸入載荷。通過(guò)FEA模型分析，對(duì)日定向器轉(zhuǎn)角φ與太陽(yáng)光入射角β的關(guān)系如圖14所示。

圖14 定向器轉(zhuǎn)角φ與太陽(yáng)光入射角β的關(guān)系Fig.14 The relationship between the rotating angle φ of the sun tracker and the incident angle β of sunlight

圖14分析結(jié)果顯示，自適應(yīng)對(duì)日定向器能明顯降低了地球靜止軌道中太陽(yáng)光線與太陽(yáng)翼法向之間的夾角β。使用自適應(yīng)對(duì)日定向器后，太陽(yáng)光入射角最大值為2.4694°。而定向器性能目標(biāo)是太陽(yáng)翼法向與太陽(yáng)光夾角最大值小于±2°，因此需要優(yōu)化定向器結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖14表明，定向器轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于理論轉(zhuǎn)角。分析其原因?yàn)椋诜治鲵?qū)動(dòng)單元 1整體結(jié)構(gòu)熱變形Δx時(shí)，是將其作為自由變形來(lái)考慮。然而，在整個(gè)定向器系統(tǒng)中，該結(jié)構(gòu)不是自由變形，各結(jié)構(gòu)間存在變形耦合作用，結(jié)構(gòu)實(shí)際熱變形小于自由狀態(tài)下的熱變形值小。結(jié)構(gòu)熱變形Δx一定時(shí)，轉(zhuǎn)角φ與曲柄長(zhǎng)r滿足關(guān)系：

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為了增大定向器轉(zhuǎn)角，設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，可適當(dāng)減小其長(zhǎng)度。當(dāng)取曲柄r=11.50 mm時(shí)，對(duì)日定向器轉(zhuǎn)角φ與太陽(yáng)光入射角β的關(guān)系如圖15所示。

圖15表明，適當(dāng)減小曲軸長(zhǎng)度能增大定向器轉(zhuǎn)角，能夠有效提高自適應(yīng)對(duì)日定向器對(duì)日定向精度。當(dāng)r=11.50 mm時(shí)，使用自適應(yīng)對(duì)日定向器后，太陽(yáng)光入射角與太陽(yáng)翼法向夾角在±1°范圍內(nèi)變化，滿足定向器性能指標(biāo)(太陽(yáng)翼法向與太陽(yáng)光夾角小于±2°)要求，對(duì)日定向精度較高。

5 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

自適應(yīng)對(duì)日定向器的驅(qū)動(dòng)力矩為重要指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)力矩越大，對(duì)日定向器對(duì)入射角變化作出響應(yīng)越快。由于定向器轉(zhuǎn)角φ與驅(qū)動(dòng)單元變形Δx及曲柄長(zhǎng)度r有關(guān)，為使轉(zhuǎn)角φ保持與入射角β相等，當(dāng)Δx發(fā)生變化時(shí)，r取值也將發(fā)生變化。本節(jié)主要分析自適應(yīng)對(duì)日定向器的驅(qū)動(dòng)單元變形量、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)曲柄長(zhǎng)度以及自適應(yīng)對(duì)日定向器的驅(qū)動(dòng)力矩與混雜驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料層合板厚度之間的關(guān)系，即Δx-t,r-t及M-t關(guān)系。

混雜復(fù)合材料層合板中，金屬層與纖維層厚度相同。本節(jié)利用有限元模型分析太陽(yáng)光與太陽(yáng)翼法線夾角為β=23.5°，層合板單層厚度t從0.3 mm到1.0 mm變化時(shí)的Δx-t,r-t及M-t關(guān)系。驅(qū)動(dòng)單元 1整體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析結(jié)果如圖16所示。

圖16 驅(qū)動(dòng)單元 1整體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析結(jié)果Fig.16 Parameter analysis results of the driver element 1

圖16分析結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)單元 1驅(qū)動(dòng)位移Δx隨層合板單層厚度t的增加而越小，曲柄長(zhǎng)r也隨層合板單層厚度t的增加而越小，但結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩MNi隨層合板單層厚度t的增加而增大。當(dāng)層合板單層厚度t=0.5 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元 1的驅(qū)動(dòng)力矩MNi=0.1814 N·m-1，單個(gè)太陽(yáng)翼的自適應(yīng)定向器單元總驅(qū)動(dòng)力矩MN=4×MNi=0.7256 N·m-1。由于太陽(yáng)翼轉(zhuǎn)軸的阻力力矩接近零，因此自適應(yīng)定向器的驅(qū)動(dòng)力矩滿足實(shí)際工程中驅(qū)動(dòng)力矩與阻力力矩之比大于1的要求。

6 結(jié) 論

本文基于混雜非對(duì)稱復(fù)合材料層合板，提出了一種應(yīng)用于航天器太陽(yáng)翼的自適應(yīng)對(duì)日定向器，通過(guò)太陽(yáng)光入射角變化引起層合板溫度變化，使其產(chǎn)生熱變形及熱應(yīng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)翼轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)翼自適應(yīng)對(duì)日定向。

基于Rayleigh-Ritz法建立混雜非對(duì)稱復(fù)合材料層合板的熱變形預(yù)測(cè)模型，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與FEA分析結(jié)果基本重合。預(yù)測(cè)結(jié)果表明溫度載荷、層合板厚度及尺寸等條件相同時(shí)，混雜非對(duì)稱復(fù)合材料層合板初始曲率(初始弧度)越大，其熱變形導(dǎo)致的弦長(zhǎng)變化越大。

基于混雜復(fù)合材料層合板的變形-溫度相關(guān)性完成了自適應(yīng)對(duì)日定向器的設(shè)計(jì)，并基于地球靜止軌道的空間環(huán)境，分析了自適應(yīng)對(duì)日定向器的溫度場(chǎng)及對(duì)日定向能力。仿真計(jì)算結(jié)果表明通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)對(duì)日定向器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度角均隨太陽(yáng)光入射角變化呈線性變化。

通過(guò)多參數(shù)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)對(duì)日定向器能夠?qū)⑻?yáng)翼的法向與陽(yáng)光之間夾角始終控制在±1°以內(nèi)，達(dá)到了±2°的指標(biāo)要求。

當(dāng)太陽(yáng)光入射角為23.5°時(shí)，定向器對(duì)太陽(yáng)翼帆板的驅(qū)動(dòng)力矩可達(dá)0.7256 N·m-1，空間環(huán)境下足以驅(qū)動(dòng)700 mm×340 mm×10 mm小尺寸太陽(yáng)翼帆板快速做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向。