一种刚度增强与可变构型的太阳帆、航天器及其驱动方法

1.本发明属于航空航天技术领域，尤其涉及一种刚度增强与可变构型的太阳帆、航天器及其驱动方法。


背景技术：

2.太阳帆航天器是一种利用太阳光压进行宇宙航行的航天器，太阳帆的工作方式与太阳能电池板中的光伏电池的工作方式不同，后者是将光能转化为电能，而前者是将光能转化为机械能。虽然太阳光压所提供的推力很小，但在没有空气阻力存在的太空，这种推力仍然能为高面质比的太阳帆提供足够的加速度。作为一种摆脱了对介质依赖的新型航天推进方式，基于太阳帆的光压推进技术在深空探测领域具有重要意义。
3.发明人发现，太阳帆航天器加速度大小与太阳帆面质比成正比，即反射帆面积越大，太阳帆航天器质量越低，加速度就越大。通过高反射率和高面质比等方式，太阳帆航天器可在光压作用下获得可观且持续的加速度。然而，在通过高面质比方式提高加速度效果时，因高面质比的太阳帆薄膜抗弯刚度小，可重构性差，往往需要笨重的附属设备来提高结构的抗弯刚度和可操控性，笨重的附属设备增加了太阳帆航天器质量，依然阻止太阳帆航天器的加速度效果，现有技术还不能解决增加反射帆面积和降低太阳帆航天器质量同步实现的问题。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种刚度增强与可变构型的太阳帆、航天器及其驱动方法，在不增加笨重附属设备，不影响太阳帆航天器质量的基础上，实现了提高太阳帆高面质比的目的。
5.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种刚度增强与可变构型的太阳帆，采用如下技术方案：
6.一种刚度增强与可变构型的太阳帆，包括柔性基底、固定在所述柔性基底上的第二金属层以及固定在所述第二金属层上的第一金属层；
7.所述第二金属层整体为拓扑网格状结构，所述第一金属层为多个独立的梁结构，每个梁结构均固定在所述拓扑网格状结构中网格的边上；所述第一金属层和所述第二金属层采用受热变形趋势相反的材料。
8.进一步的，所述柔性基底为表面镀铝的聚酰亚胺薄膜。
9.进一步的，所述第一金属层为多个独立的矩形梁结构。
10.进一步的，所述第二金属层为受热收缩金属材料。
11.进一步的，所述第一金属层为受热膨胀金属材料。
12.进一步的，所述第二金属层和所述第一金属层为形状记忆合金。
13.进一步的，所述第二金属层的拓扑网格状结构中包括多个矩形网格，所述矩形网格的两个相对边上固定有第一金属层的梁结构，另外两个相对边上不固定第一金属层的梁
结构。
14.进一步的，所述第二金属层通过分布式的粘接点与所述柔性基底连接。
15.为了实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种刚度增强与可变构型的航天器，采用如下技术方案：
16.一种刚度增强与可变构型的航天器，包括航天器本体以及固定在所述航天器本体上的太阳帆，所述太阳帆包括柔性基底、固定在所述柔性基底上的第二金属层以及固定在所述第二金属层上的第一金属层；
17.所述第二金属层整体为拓扑网格状结构，所述第一金属层为多个独立的梁结构，每个梁结构均固定在所述拓扑网格状结构中网格的边上；所述第一金属层和所述第二金属层采用受热变形趋势相反的材料。
18.为了实现上述目的，第三方面，本发明还提供了一种刚度增强与可变构型的航天器驱动方法，采用如下技术方案：
19.一种刚度增强与可变构型的航天器驱动方法，采用了如第二方面中所述的刚度增强与可变构型的航天器，包括：
20.拓扑网格状结构边和梁结构构成双金属梁段；对第一金属层和第二金属层进行电热驱动，第二金属层产生在轴向上的收缩趋势，第一金属层产生在轴向上的伸长趋势，柔性基底自适应地发生沿垂直轴向上的弯曲，多个双金属梁段驱动柔性基底由平板重构为曲面。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
22.1、本发明中在柔性基底上依次设置拓扑网格状结构的第二金属层以及包括多个梁结构的第一金属层；第一金属层和第二金属层采用受热变形趋势相反的材料，拓扑网格状结构边和梁结构构成双金属梁段；对第一金属层和第二金属层进行电热驱动时，受热的第二金属层产生在轴向上的收缩趋势，而第一金属层产生在轴向上的伸长趋势，热不匹配效应引起双金属梁段沿垂直轴向上的弯曲；在拓扑网格状结构边所提供的铰链作用下，柔性基底自适应地发生沿垂直轴向上的弯曲，多个双金属梁段可驱动柔性基底由平板重构为曲面，从而达到提高抗弯刚度的目的，在增加反射帆面积时不需要添加附属设备，提高了面质比；
23.2、本发明针对目前高面质比太阳帆普遍存在的抗弯刚度低，可控再重构能力差的问题，提出了一种模块化设计新方案，满足了芯片级太阳帆高面质比的要求，在底层基础上叠加网状二维拓扑微结构，满足轻量化需求；可展模块与再重构模块可单独控制，且中间网状二维拓扑微结构在两模块中共用。
附图说明
24.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
25.图1为本发明实施例1和实施例2中航天器的结构示意图；
26.图2为本发明实施例1的图1中o部分放大图；
27.图3为本发明实施例1的太阳帆结构示意图；
28.图4为本发明实施例1的坐标系下太阳帆结构示意图；
29.图5为本发明实施例1的图3中a-a截面对应的可展模块；
30.图6为本发明实施例1的图3中a-a截面对应的可展模块展开效果；
31.图7为本发明实施例1的图3中b-b截面对应的可展模块展开效果；
32.图8为本发明实施例1的坐标系下太阳帆结构示意图；
33.图9为本发明实施例1的图8中c-c截面对应的再重构模块；
34.图10为本发明实施例1的图8中c-c截面对应的再重构模块的重构效果；
35.其中，1、第一金属层；2、第二金属层；3、柔性基底；4、航天器本体；5、粘接点。
具体实施方式
36.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.实施例1：
39.如图1和图2所示，本实施例提供了一种刚度增强与可变构型的太阳帆，包括柔性基底3、固定在所述柔性基底3上的第二金属层2以及固定在所述第二金属层2上的第一金属层1；
40.所述第二金属层2整体为拓扑网格状结构，所述第一金属层1为多个独立的梁结构，每个梁结构均固定在所述拓扑网格状结构中网格的边上；所述第一金属层1和所述第二金属层2采用受热变形趋势相反的材料。
41.具体的，本实施例采用底层和上部两层拓扑微结构层叠化设计方式；可选的，上部两层拓扑微结构采用电热驱动方式；底层为所述柔性基底3，其具有较低的等效密度和等效厚度；太阳帆上部两层拓扑微结构采用两种受热变形趋势相反的材料制成。拓扑网格状结构边和梁结构构成双金属梁段；对所述第一金属层1和所述第二金属层2进行电热驱动时，受热的所述第二金属层2产生在轴向上的收缩趋势，而所述第一金属层1产生在轴向上的伸长趋势，热不匹配效应引起双金属梁段沿垂直轴向上的弯曲；在拓扑网格状结构边所提供的铰链作用下，所述柔性基底3自适应地发生沿垂直轴向上的弯曲，多个双金属梁段可驱动所述柔性基底3由平板重构为曲面，从而达到提高抗弯刚度的目的，在增加反射帆面积时不需要添加附属设备，提高了面质比。
42.本实施例中的太阳帆可以面向芯片级太阳帆航天器应用，从微观角度展开研究，针对太阳帆高面质比这一迫切需求，结合高面质比太阳帆设计中存在的薄膜结构抗弯刚度低、可控再重构能力差的问题，提出了一种全新太阳帆结构设计与驱动方案，为下一代芯片级太阳帆的设计提供了技术支持。
43.可展微结构最重要的特征参数是等效密度和等效厚度，这两个参数越小，结构面质比就越高，所以，本实施中可采用表面镀铝的聚酰亚胺薄膜(polyimide film；pi film)(作为所述柔性基底3，也可选用低等效密度的其他材料。可选的，表面镀铝的厚度为20nm，聚酰亚胺薄膜的厚度为2～7.5μm。
44.为降低等效厚度，上金属层1、下金属层2设计为拓扑网格状结构或分布，有助于降低其等效厚度，二维拓扑微结构中的梁单元厚度可达十几微米，提高了结构可靠性。
45.所述第一金属层1可以为多个独立的矩形梁结构，按照所述第二金属层2的拓扑网格状排布并与所述第二金属层2连接。所述第二金属层2可以为拓扑网格状结构，外轮廓与所述柔性基底3一致，所述第二金属层2可以通过分布式的粘接点5与所述柔性基底3连接。拓扑网格有助于降低其等效厚度，二维拓扑微结构中的梁单元厚度可达十几微米，提高了结构可靠性。考虑到太阳帆充足的电力保障，以及大变形的重构需求，上述二维拓扑微结构可以采用基于电热驱动方式。
46.为提高电热驱动效率，所述第二金属层2可以为受热收缩金属材料，所述第一金属层1可以为受热膨胀金属材料，可以通过形状记忆合金实现基于热不匹配效应和形状记忆效应的复合驱动。
47.本实施例中采用模块化设计理念，在保证高面质比的前提下，加入可展模块与再重构模块，具体的，所述可展模块为所述第二金属层2和所述第一金属层1，上部的所述第二金属层2和所述第一金属层1两层拓扑微结构在电热驱动下，产生收缩和伸长的两种不同的变形趋势，从而产生沿某一方向的弯曲；多个可展模块集成后可驱动所述柔性基底3由平板重构为曲面，从而提高结构的抗弯刚度。为实现微结构的可控再重构，提出与上述弯曲方向相反的再重构模块，所述再重构模块为所述柔性基底3和所述第二金属层2，中间的所述第二金属层2拓扑微结构和所述柔性基底3在电热驱动下，产生弯曲，引起微结构发生与展开机制方向相反的重构效果。
48.为提高可展性与再重构性，可选的，所述第二金属层2的拓扑网格状结构中包括多个矩形网格，所述矩形网格的两个相对边上固定有第一金属层1的梁结构，另外两个相对边上不固定第一金属层1的梁结构。
49.具体的，如图3和图4所示，为提高微结构绕x轴的抗弯刚度，考虑沿平行x轴方向设计可展模块，单个可展模块的变形效果如图5所示，集成多可展模块的变形效果如图6所示。可展模块的可控展开机制为：所述第一金属层1和所述第二金属层2在电热驱动下工作，受热的所述第二金属层2产生在x轴方向呈现收缩趋势，而所述第一金属层1在该方向上有伸长趋势，热不匹配效应引起双金属梁段绕y轴的向上弯曲；在单金属梁所提供的铰链作用下，所述柔性基底3自适应地发生绕y轴向上弯曲；多个可展模块集成后可驱动所述柔性基底3由平板重构为曲面，从而提高结构的抗弯刚度。为实现微结构的可控再重构，提出绕x轴弯曲的方案，沿平行于y轴方向设计可重构模块；再重构模块的可控再重构机制为：所述第二金属层2和所述柔性基底3在电热驱动下工作，所述第二金属层2受热收缩，而所述柔性基底3会受热膨胀，引起微结构发生绕x轴弯曲的可控再重构；需要指出的是，可展模块所产生的刚度增强效果，会部分抑制微结构的可控再重构能力，两者的相互作用可通过理论分析和试验进行预测和评价，优化高面质比可展微结构设计方案。
50.实施例2：
51.如图2所示，本实施例提供了一种刚度增强与可变构型的航天器，包括航天器本体4以及固定在所述航天器本体4上的太阳帆，所述航天器本体4可以为芯片级航天器，其周围固定太阳帆；所述太阳帆包括柔性基底3、固定在所述柔性基底3上的第二金属层2以及固定在所述第二金属层2上的第一金属层1；
52.所述第二金属层2整体为拓扑网格状结构，所述第一金属层1为多个独立的梁结构，每个梁结构均固定在所述拓扑网格状结构中网格的边上；所述第一金属层1和所述第二
金属层2采用受热变形趋势相反的材料。
53.本实施例中的太阳帆具备实施例1中太阳帆中所有的结构特征和功能，在此不再赘述。
54.实施例3：
55.本实施例提供了一种刚度增强与可变构型的航天器驱动方法，采用了如实施例1中所述的刚度增强与可变构型的航天器，包括：
56.拓扑网格状结构边和梁结构构成双金属梁段；对第一金属层1和第二金属层2进行电热驱动，第二金属层2产生在轴向上的收缩趋势，第一金属层1产生在轴向上的伸长趋势，柔性基底3自适应地发生沿垂直轴向上的弯曲，多个双金属梁段驱动柔性基底由平板重构为曲面。
57.以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

技术特征：
1.一种刚度增强与可变构型的太阳帆，其特征在于，包括柔性基底、固定在所述柔性基底上的第二金属层以及固定在所述第二金属层上的第一金属层；所述第二金属层整体为拓扑网格状结构，所述第一金属层为多个独立的梁结构，每个梁结构均固定在所述拓扑网格状结构中网格的边上；所述第一金属层和所述第二金属层采用受热变形趋势相反的材料。2.如权利要求1所述的一种刚度增强与可变构型的太阳帆，其特征在于，所述柔性基底为表面镀铝的聚酰亚胺薄膜。3.如权利要求1所述的一种刚度增强与可变构型的太阳帆，其特征在于，所述第一金属层为多个独立的矩形梁结构。4.如权利要求1所述的一种刚度增强与可变构型的太阳帆，其特征在于，所述第二金属层为受热收缩金属材料。5.如权利要求1所述的一种刚度增强与可变构型的太阳帆，其特征在于，所述第一金属层为受热膨胀金属材料。6.如权利要求1所述的一种刚度增强与可变构型的太阳帆，其特征在于，所述第二金属层和所述第一金属层为形状记忆合金。7.如权利要求1所述的一种刚度增强与可变构型的太阳帆，其特征在于，所述第二金属层的拓扑网格状结构中包括多个矩形网格，所述矩形网格的两个相对边上固定有第一金属层的梁结构，另外两个相对边上不固定第一金属层的梁结构。8.如权利要求1所述的一种刚度增强与可变构型的太阳帆，其特征在于，所述第二金属层通过分布式的粘接点与所述柔性基底连接。9.一种刚度增强与可变构型的航天器，包括航天器本体以及固定在所述航天器本体上的太阳帆，其特征在于，所述太阳帆包括柔性基底、固定在所述柔性基底上的第二金属层以及固定在所述第二金属层上的第一金属层；所述第二金属层整体为拓扑网格状结构，所述第一金属层为多个独立的梁结构，每个梁结构均固定在所述拓扑网格状结构中网格的边上；所述第一金属层和所述第二金属层采用受热变形趋势相反的材料。10.一种刚度增强与可变构型的航天器驱动方法，其特征在于，采用了如权利要求9所述的刚度增强与可变构型的航天器，包括：拓扑网格状结构边和梁结构构成双金属梁段；对第一金属层和第二金属层进行电热驱动，第二金属层产生在轴向上的收缩趋势，第一金属层产生在轴向上的伸长趋势，柔性基底自适应地发生沿垂直轴向上的弯曲，多个双金属梁段驱动柔性基底由平板重构为曲面。

技术总结
本发明属于航空航天技术领域，提出了一种刚度增强与可变构型的太阳帆、航天器及其驱动方法，在柔性基底上依次设置第二金属层和第一金属层；第一金属层和第二金属层采用受热变形趋势相反的材料，拓扑网格状结构边和梁结构构成双金属梁段；对第一金属层和第二金属层进行电热驱动时，受热的第二金属层产生在轴向上的收缩趋势，而第一金属层产生在轴向上的伸长趋势，热不匹配效应引起双金属梁段沿垂直轴向上的弯曲；在拓扑网格状结构边所提供的铰链作用下，柔性基底自适应地发生沿垂直轴向上的弯曲，多个双金属梁段可驱动柔性基底由平板重构为曲面，从而达到提高抗弯刚度的目的，在增加反射帆面积时不需要添加附属设备，提高了面质比。比。比。


技术研发人员：任仲靖 谢可才 李承阳 闫鹏
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/6/27