破解太阳帆收纳难题 | 科技前线

来源：中国科学院沈阳自动化研究所

太阳帆是利用太阳光压驱动的航天器，具有低成本、长寿命、环境友好和可持续推进等特点，被认为是一种有可能乘载人类到达太阳系外星系的航天器。其超大面积帆面的支撑结构，必须同时满足“高收纳比”和“可靠展开”这两个看似矛盾的要求。

中国科学院沈阳自动化研究所研制出一种小尺寸截面、轻质高刚度的复合材料——可展收伸展臂（Deployable Composite Boom，DCB），并系统模拟了该结构在卷绕及展开过程中的非线性力学行为，为轻小型太阳帆展开机构的设计与实现提供了解决途径。

▲太阳帆上轻小型可展收复合材料伸展臂

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精准预测

“折叠”与“展开”

为了获得更高的展开与收拢比，太阳帆通常采用碳纤维增强复合材料薄壁结构，以支撑大面积帆膜。

此类结构在卷曲和展开过程中会产生显著的非线性力学行为（如大变形、接触摩擦等），使得预测和控制其展收行为变得异常困难，更严重的会直接影响太阳帆的可靠性和使用寿命。因此亟需一种更为高效的数值分析模型来优化这种变形行为。

▲可展收复合材料伸展臂数学模型

科研团队在经典薄壁梁理论的基础上，创新性地引入了非线性修正项，更准确地描述臂杆从初始状态到压平，再到卷绕成卷的整个变形过程。

模型特别考虑了材料中性轴局部拉伸、曲率变化的非线性关系，以及材料接触摩擦带来的额外影响。

▲可展收复合材料伸展臂数值模型

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揭示卷绕过程中的力学规律

通过高精度数值模拟，科研团队揭示了DCB臂杆卷收过程力学行为的影响规律：

●  应力“热点”明晰：卷收过渡区是应力最为显著的部位，最大综合应力出现在下层结构最外层材料的侧弧拐点处，是最易诱发失效的关键区域。

●  显著的层间与区域差异：下层结构的应力水平普遍高于上层结构；外层材料承受的应力远高于内层和中层；不同方向（X向拉伸/压缩、Y向剪切）的应力在上下层及各层的分布模式也存在系统性差异。

●  中层相对稳定：中层材料由于厚度相对较大，其应力分布较内、外层更为均匀，展现出更好的承载稳定性。

▲复合材料臂杆展收过程不同层应力影响区

为了检验理论和模拟结果的可靠性，科研团队搭建了专门的卷收实验平台，通过测量不同卷收角度下的应变值和扭矩，对理论建模和仿真分析进行严格验证。 

实验测量结果显示，应变和扭矩变化趋势，与理论模型预测及仿真结果吻合良好，这证明了模型的有效性。

▲复合材料臂杆展收实验装置及测试结果

该研究系统揭示了小尺度薄壁复合材料可展开臂杆在卷折过程中的复杂力学行为，特别是明确了关键的高应力区域和层间应力差异规律。

这为未来设计和优化此类高性能、高收纳比的太空可展开结构提供了重要的理论依据和设计指导。