基于Adams的太阳帆展开绳索的建模与仿真

摘要：在太阳帆旋转展开过程中，依靠端部系有质量球的对角线绳索的离心力展开方形帆面，绳索与中心毂轮法向方向会产生夹角.利用Adams建模仿真技术成功建立太阳帆展开绳索模型，并对太阳帆绳索展开进行仿真分析，得出绳索与中心毂轮法向的夹角与毂轮相对转速的关系，为太阳帆的结构设计与模拟试验提供参考.

关键词：太阳帆展开； 绳索； 夹角； Adams

中图分类号：U441.5； U444.18； TB115文献标志码：B

0引言

太阳帆是一种利用太阳光光压作为动力进行宇宙航行的航天器.[1]近年来，人们对这种大型可展开结构的关注与研究日益增强，我国航天科技界也日益关注对行星探测颇具前景的太阳帆飞行器[2].

在太阳帆航天器的结构设计中，最关键性的问题就是在太空中如何展开太阳帆的帆面以及在展开过程中会出现的问题.[3]本文设计一种太阳帆可展开机构研究模拟太阳帆的展开过程，其主要由中心毂轮、挡柱装置、上下圆盘、伺服电机以及太阳帆模型等组成.太阳帆模型为一个方形帆面，依靠对角线的4条绳索以及端部质量球的离心力展开，其刚度小，故整体可简化成4条绳索，进行柔性体建模.

在Adams中，对于绳索类物体，因其只承受拉力，不受压和弯曲变形，故无法直接建模[4]，但可以通过现有的模块和约束进行近似模拟.在在Adams中，利用轴套力的方法对绳索类物体建模[5-7]：将绳索模型微元成一段段的小圆柱体，2个小圆柱体之间通过轴套力连接，由于离散的小圆柱体相对于整个绳索的长度很小，用轴套力法所建的模型可以真实反映绳索的拉伸弯曲等力学性能.本文正是采用这种建模方法，较真实地反映太阳帆展开过程中绳索的力学性能与振动特性，得到绳索与中心毂轮法向的夹角同毂轮相对转速的关系.

1太阳帆模型简化

太阳帆展开机构简化模型见图1，其中，上下圆盘以ω0=200 r/min匀速转动；中间圆为中心毂轮，半径R=75 mm，相对上下圆盘的转速为ω；三角形B为挡柱；AB为绳索；小圆A为质量球，质量为m；绳索与中心毂轮法向的夹角为θ.

由仿真分析可知，当ω为某一固定值时，夹角θ在0～1 s内迅速增大，并围绕在某一值上下波动，开始频率较高，后来频率逐渐降低；当ω增大，夹角θ的最大值、最小值以及平均值变化不大，但夹角θ的波动频率变小.在太阳帆自旋展开过程中，第一阶段绳索受挡柱限制，相对于中心法线的偏角较小；当绳索完全展开后，绳索随中心毂轮一起匀度运动，此时偏角θ增大，并在某一固定值上下波动.

6结束语

在太阳帆自旋展开过程中，依靠帆面端部系有质量球的离心力作用，在第一阶段展开4条折叠的对角辐条，其可简化为4根绳索模型.利用轴套力建模的方法，对4根绳索进行柔性体建模，这种建模方法有效反映太阳帆自旋展开过程中绳索的力学性能和振动特性.在第一阶段展开时，以不同的展开速度进行展开.通过Adams仿真分析，得到绳索与中心毂轮法向的夹角同展开速度的关系，并与理论计算、地面试验进行对比补充，为后续太阳帆在轨展开奠定基础.

参考文献：

[1]刘宇艳， 李学涛， 杜星文. 可展开太阳帆技术概述[J]. 中国航天， 2006（5）： 40-43.

LIU Yuyan， LI Xuetao， DU Xingwen. Overview of solar sail development[J]. Aerospace China， 2006（5）： 40-43.