1卫星太阳能帆板碰撞动力学问题

一方面，伴随着卫星对能源需求量愈来愈多，卫星太阳能帆板必然会朝着大型化的方向发展。另一方面，因为受到发射成本和经济条件的制约，这就需要卫星自身越轻越好，这就让用在太阳能帆板上的柔性大挠度轻质材料愈发受到研究，运载火箭的效率才会得以提高。这两种情况是相反的，这使得卫星太阳能帆板成为明显的大挠性的空间构件，它的刚度很低，密度也比较小，跨度同时又非常的大。但是又显现出了大挠性构件模态相对密集，阻尼较弱和固有频率过低等动力学的特征。从保证卫星工作的平稳性和精确性的角度来看，帆板构件的动力学特性很显然严重地威胁到了卫星的安全。加上太空中近乎真空的环境以及帆板本身结构阻尼的不可忽略，使得在零阻尼状态下运行的结构动力现象非常复杂。这就导致帆板在结构伸展或者受到太空垃圾碰撞扰动时，都会使得太阳能帆板持续的大幅度波动。碰撞造成的振动可能会产生以下危害：86267

①电池板的变形，使得与太阳光的相对位置改变，采光的效率就会下降；

②结构之间发生摩擦或碰撞，导致设备的损坏；

③若电池板的变形超过一定限度将会损坏；

④卫星飞行状态的控制也会遭到扰动，甚至会影响到绕轨状态的平稳和精度。

总之，在太空中发生碰撞是非常危险的一种情景，严重时会破坏卫星里的工作器件，致使卫星的工作效率降低，最终导致卫星的完全失效。

2帆板碰撞动力学国内外研究进展

至今针对卫星太阳能帆板的碰撞动力学分析的专业文章并不多见，可是很多的分析报告中考虑了太阳能帆板的相关影响。他们的具体研究内容是系统地构建航天器的动力学方程，并以太阳能帆板与航天器为例将大范围内的刚体运动与挠性结构中的弹性振动之间的刚柔耦合的问题。对于太阳能帆板结构的动力学分析主要集中在模态分析、动力学响应分析、热应力耦合分析、帆板振动对卫星姿态影响的耦合动力学分析等方面。

对于用解析法和半解析法研究挠性伸出结构的结构动力学特性，往往是提出一些合理的假设，针对关心的问题，建立等效的板，梁等元素的组合分析模型。从上世纪60年代开始，Yamaki[12]就用伽辽金法研究了矩形板的四边固支和简支的几何非线性模态。而后，Fumitoshi[13]、Kim[14]、L。Azrar [15]、 K。M。Liew [16]、Y。K。Cheung[17] 等各种国外科学家也分析过挠性结构的线性及非线性振动原理。

Fumitoshi 将卫星太阳能帆板简化成一个板结构的模型，其一边固定，其他边有自由度。他利用该模型研究出了帆板振动偏微分动力学方程，建立相应的有限元模型，基于此进一步研究了太阳能帆板的振动控制；Kim 根据太空中空间站的大型柔性卫星太阳能帆板建立出了有一种“梁-绳”的模型，并且通过对该种模型进行动力学分析后证明了该模型的可行性和科学性；Kelly 将卫星太阳能帆板简化成一种薄膜结构，同样也探讨出柔性太阳能帆板的自由振动的特性。对于国内的研究也有一些，龚安栋基于薄板理论研究了卫星太阳能帆板振动的各项问题，也得出了很多较为科学的动力学方程；蒋建平[18]也建立出卫星太阳能帆板的模型，分析了依靠压电材料的智能结构的动力学模型和振动方法。

超高速撞击动力学的研究，地面模拟试验技术加上数值分析的技术等是空间碎片分析的主要内容，为以后的空间碎片防护结构提供理论依据和科学模型。例如弹靶结构在超高速的情况下发生碰撞，很大程度下会发生破碎、飞溅或者融化等破坏形式。根据其材料本身的性质、撞击时的速度和方向、弹体自身的形状甚至是被撞击体的厚度等因素的不同，其破坏程度也会出现相应的等级[19]。美国和俄罗斯等在空间防护结构设计和改进方面处于领先的地位，他们在分析新型材料和优秀的结构方面有着很深的经验，同时他们也比较注重研究卫星在受到剧烈的撞击后功能方面的缺失以及后期引起的失效等更多比较有深度的问题。目前来说，我国对空间碎片领域的涉足相对较晚，但是在研究人员的努力下对空间碎片的观测以及撞击时的数据库的建立也取得了长远的发展和进步。