自驱动折纸遮阳结构的折叠与展开行为

《Acta Astronautica》：Folding and deployment behavior of self-driven origami sunshade structure

自驱动折纸式遮阳结构设计基于形状记忆合金（SMA）与Kresling折痕技术，实现97.5%以上高展开率、0.05°以下光轴偏移及半高度比缩减，通过模态分析（1.550 Hz基频）和动态仿真验证了结构刚度和驱动性能可靠性。

　　

钱润敏|张倩|冯健|蔡建国

东南大学土木工程学院，中国南京211189

摘要

本研究开发了一种新型的自驱动折纸遮阳结构，利用形状记忆合金（SMA）实现了空间光学系统自驱动展开的微型化和高精度。该设计结构的主要评估指标如下：展开率超过97.5%；光学偏移的控制精度小于0.05°；高度缩减比例小于1/2。其展开原理基于缠绕SMA丝的弹性自展特性，层状结构保证了展开后的刚性，并满足了高精度光学系统的轴向稳定性要求。通过压缩-旋转的主动诱导折叠实现了Kresling折痕，这种折痕无需预先设定，显著提高了折叠展开的可靠性。模态分析显示，该结构自激振动的基本频率达到1.550 Hz。动态仿真表明，SMA驱动器可以实现99.2%的展开率，光轴位移控制在0.042°以内，部件应力也在材料强度范围内。本研究为空间光学系统的自驱动遮阳结构设计和优化提供了理论和工程参考。

引言

基于空间的光学系统在当代科学技术中发挥着至关重要的作用，尤其是在卫星成像、天文观测和深空探索领域。随着科学探索任务的日益复杂，对这些光学系统的性能要求也在不断提高。这些要求包括实现更高的分辨率、扩大视场范围以及减轻重量[1]、[2]、[3]。鉴于这些需求，可折叠膜遮阳系统已成为研究热点[4]、[5]。遮阳系统具有两大主要优势：它能够有效减少外来光线对光学仪器的影响，并且可以折叠以减小运输和发射时的体积[6]、[7]、[8]、[9]。

大规模传统遮阳系统的实现通常需要外部驱动器，这些驱动器大致可分为三类：机械驱动展开[10]、[11]、[12]、弹性驱动展开[13]、[14]、[15]以及充气驱动展开[16]、[17]、[18]。这些系统具有足够的能量来确保遮阳系统按预定模式展开，从而有效实现目标区域的遮光功能。例如，NASA的JWST望远镜的遮阳系统就是机械驱动展开的典型例子，其工作原理是顶部向下旋转展开两个组合支架[10]。Tortorici[11]研究了双稳态对机械驱动展开过程的影响。此外，Li[16]提出了一种可变展开速率方法，将展开速率与最优控制相结合，促进了折叠结构的快速稳定展开。

然而，这种特定的展开方法存在一些挑战和局限性，尤其是在处理小型空间光学系统时。首先，外部驱动系统往往复杂且重量较大，这对于需要严格控制重量和体积的航天器来说是一个重大缺点。随着太空任务中对微型卫星需求的不断增长，减轻重量和节省空间的重要性日益凸显[19]、[20]、[21]。此外，在太空环境中，任何驱动系统的可靠性都必须经过严格验证，以确保其在极端温度和辐射条件下的稳定性和功能性。

近年来，智能材料技术的进步扩展了形状记忆合金（SMA）的工程应用潜力，这得益于其独特的超弹性和形状记忆特性[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。例如，Song[25]全面综述了SMA在民用结构被动控制、半主动控制或主动控制中的应用。Bovesecchi[27]探讨了使用SMA作为太阳能帆自驱动装置的可行性和可靠性，从而避免了笨重的机械臂。Caltagirone[28]记录了利用SMA的创新材料组合和机制在可扩展太空栖息地中的应用进展，强调了SMA在自扩展系统中的独特应用。这些研究突显了形状记忆合金在驱动和自适应结构中的巨大优势。此外，Kresling折痕这种先进的折纸设计因其优异的机械性能和高折叠性，在空间部署结构中展现出巨大潜力[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。例如，Kidambi和Wang[30]研究了Kresling折纸结构在展开过程中的动态行为，为需要控制展开机制的应用提供了重要见解。Li[32]受Kresling折纸图案启发，设计了一种具有高展开比和高刚性的创新充气金属圆筒。Zang[34]通过数学建模和实验验证研究了Kresling折纸结构的力学特性，对其行为有了全面理解。将这种折痕结构与SMA结合使用，有助于创造出一种创新的小型光屏蔽系统，既能满足光学系统的功能要求，又能实现轻量化和高效率的展开。

本研究的目标是为小型空间光学系统提出一种自操作、可部署的遮阳系统，集成Kresling折痕和形状记忆合金。论文结构如下：第2节深入分析了研究问题，重点讨论了结构设计和模态分析；第3节通过模拟分析其折叠和展开动态，研究了每个遮阳组件在整个运行周期中的应力状况，确保材料强度始终在安全范围内。第4节总结指出，本研究的见解可能为小型光学系统遮阳系统的创新概念和方法论开辟新的方向，从而推动该领域的进一步发展。

章节摘录

结构设计

本文提出的结构设计基于两种已知模型：常见的弹出式衣篮和Kresling折痕。弹出式衣篮在完全展开时具有稳定且坚固的几何形状。然而，在折叠状态下，由于折痕的不规则性和缺乏环形板支撑，该结构的横截面积会发生变化和变形。

折叠和自驱动过程

为了评估折叠和展开过程，提出了两个指标：平均应力指数$$和光学指数$$。平均应力指数的目的是评估遮阳系统各组件在折叠和展开过程中的应力分布。$$其中$$表示元素的应力值，m表示元素总数。

光学指数表示遮阳系统从折叠状态到工作状态的转变。

结论

本文提出了一种基于Kresling折痕的新型自驱动可折叠膜遮阳设计，具有空间小尺度特性。Kresling折痕是通过压缩和旋转运动实现的，无需预先设定折痕。缠绕的SMA丝作为驱动元件，利用其超弹性实现遮阳系统的弹性自展开。为确保展开后的结构刚性，采用了层状排列方式，并使用了碳纤维

作者贡献声明

冯健：项目监督、项目管理、方法论制定、资金筹集。蔡建国：项目监督、项目管理、资金筹集。张倩：项目监督、方法论制定。钱润敏：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、软件开发、方法论研究、数据整理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本文的工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52478306、52478145）、江苏省科学技术厅（项目编号：BZ2022049、BE2023801）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：2242024K30020）的支持。