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新一代光学遥感卫星呈现出轻小型化、低成本、高功能密度、敏捷快速机动等发展趋势,讲究快速、灵活、高效的对目标成像,卫星姿态控制频率高,敏捷机动后可快速稳定并执行任务。可以预见,未来“敏捷遥感卫星”将呈现爆发式增长。传统太阳帆板连接形式的帆板展开基频较低、刚度较差。在卫星快速机动时,帆板的刚柔耦合振动作用于卫星,可直接影响相机的成像质量且需要较长时间才能恢复稳定,降低卫星平台的指向精度,尤其对于姿态控制频率较高的敏捷小卫星,当帆板展开基频与姿态控制频率相近“共振”时耦合尤为严重。高刚度太阳帆板展开与支撑技术是目前实现卫星的敏捷机动、快速稳定和多模式成像功能的先进技术,具有帆板展开基频高、阻尼比大等优点,在敏捷小卫星对地遥感等领域具有广阔的应用前景。 本文结合某型号敏捷遥感卫星的工程实际,通过优化设计分析、动力学仿真和实验验证相结合的方法,创新性的提出一种基于钴基恒弹合金带状弹簧的高刚度太阳帆板展开与支撑技术,有效解决了现有技术存在的问题。本文的研究主要包括以下几个方面: 总结并分析了国内外卫星相关技术的特点,研究基于多目标优化技术的高刚度、高阻尼太阳帆板展开与支撑机构的设计方法,给出了总体设计方案; 在深入摸索一种钴基恒弹合金的制备、热处理工艺的基础上,研究双片带状弹簧组件的组合使用技术,替代结构复杂的驱动铰链机构,功能性钴基材料具有在空间±100℃温差的条件下,其弹性、脆性性能稳定,且钴基材料耐空间原子氧腐蚀性能优良、无磁、不易发生蠕变,是带状弹簧组件设计材料的最佳选择; 通过建立刚柔耦合多体动力学仿真模型,验证设计合理性并提出了一步优化方向;在充分考虑可靠性的前提下将该项技术工程化,搭建地面试验系统,试验结果表明,仿真分析与实际测量结果基本一致,帆板展开基频提升一倍以上,阻尼比提升近五倍,进一步验证了设计的正确性。 利用多学科交叉技术建立高效的全链路地面仿真评估系统,评估帆板展开与支撑技术在卫星敏捷成像模式下对于姿态控制及指向稳定性的影响,使其具备一定工程应用价值,分析结果表明本文技术可有效规避展开帆板的影响,提升卫星机动过程中成像的指向精度和稳定性。 2015年10月,在“吉林一号”卫星组中的一颗试验卫星上,搭载了两套轻小型化太阳帆板展开与支撑机构,顺利完成了本文技术的在轨验证,为国内首次;同时,相关研究获得了2017年国家自然科学基金青年基金项目的支持。 本文的研究将为中国太阳帆板展开与支撑技术的研究奠定基础,并对该技术的深入发展具有重要的理论和工程借鉴意义。