卫星展板结构变形监测实验系统设计开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1 研究的背景及意义
近些年,航天事业快速发展,卫星承担的任务日趋增多,其规模也日益增大。随着卫星规模的增大,其运行过程中的能量需求也不断增大。作为卫星的主要能量来源,硅光电池通过将光能转化为电能从而满足对卫星的能量提供,作为其基板的太阳能帆板的尺寸也必然趋向大型化,目前翼展长达数十米的太阳能帆板已得到广泛应用,由此对于帆板结构的稳定运行状况和形态要求也更加严格。太阳能帆板从结构特点上来看,一般具有阻尼小、刚度低、共振频率低的特征,同时由于其运行环境即太空环境外界阻尼几乎可以忽略不计,极易导致结构受到扰动后发生长期且难以恢复的结构变形和大幅低频振动。例如,卫星在轨运行期间一旦受到轨道或姿态调整导致的晃动、折叠机构展开等自身因素造成的扰动,或者受到空间温度剧烈变化、微粒子流、以及宇宙风等外界因素作用,便有可能产生结构变形。尤其是在太空环境低阻尼的情况下,形变与振动都难以自动恢复,若不及时进行调整,不但影响柔性结构本身的工作性能,而且极有可能影响到卫星主体的运行,从而影响卫星的姿态稳定和定向精度;此外,持续时间长且剧烈的形变也有可能使结构发生疲劳破坏,导致卫星性能下降甚至失效,直接威胁卫星在轨任务的完成。因此,对大型航空航天器中的柔性结构的形变监测技术的研发,向来是航天技术发展中的一个重点领域和待突破的难点,“在太空失重环境条件下使各种柔性结构、天线和望远镜保持运行稳定”被美国国家研究理事会列为影响太空探索的关键技术之一。
对于远在太空的航天器件,基于传统的直接测量方法或电测方法难以实现对结构体的形态变化进行实时的测量监测,所以,间接测量法在这个领域成为了另一个重要研究方向。在间接测量方法中,主要是通过在结构体表面设置传感器,然后利用传感器所测得的物理信息结合形态重构算法实现结构体的变形测量。基于太空环境的复杂性,常规的传感器往往难以实现精确的测量,且考虑到太阳能帆板的柔性特征,所放置传感器需要轻量化与小型化。在各类传感器中,布拉格光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating, FBG)作为一种新型的传感器,它基于光纤中的光线传播原理设计,与传统的传感器相比,它具有更强的抗干扰性、稳定性与耐久性。而在太空环境中,其优势更加明显,它的质量与体积都很小,在测量时,可以大量埋入或粘贴于被测物体上,形成一个传感网络。在卫星的运行过程中,太阳能帆板的每个部位都可能出现突发的应变变化,而通过光纤光栅传感器则可以精确的检测到这些变化,并通过波长或波形的变化反应出来。不仅可以直观反应出变形发生的位置,并且能通过数据快速得到变形的程度与情况。另外,不仅仅是形变监测,通过在太阳能帆板中广泛排布的FBG传感器形成的传感网络,还可以监测太阳能帆板的振动情况、温度变化及各类环境情况,使我们可以对卫星太阳能帆板的实时情况有更确切的了解。采用内置式光纤光栅监测复合材料结构的健康状态在土木工程应用中已经较为广泛,但在航天航空领域起步较晚,这种技术作为复合材料结构无损监测技术的重要发展趋势,最终会实现结构形变的实时监控,为卫星太阳能帆板的安全性与稳定性提供重要的技术支持。
伴随着航空航天事业的快速发展和大型柔性结构件的不断涌现,结构运行状况的实时安全性监控与稳定性监测始终是该领域急迫需要解决的核心关键问题,并且通过对形态结构的监测,有利于后续对结构振动与形态调整的有效控制。当前基于FBG传感网络以实现对智能结构的监测是主流方向与发展趋势,鉴于柔性结构健康监测研究内容的丰富性,本课题着重于对卫星太阳能帆板的形变感知与形态重构开展探索与研究,研究意义在于通过FBG传感网络对卫星太阳能帆板的监测,为卫星的稳定运行提供一种控制途径与思路。
1.2 国内外研究现状
纵观太阳能帆板的发展历程,伴随卫星结构规模的日益增大以及对能源的需求的增长,太阳能帆板必然会向大型化发展。例如我国的“东方红三号”卫星,其太阳翼展开可达18.096米。但另一方面,由于大型卫星规模很大,结构复杂,例如有些大型的通信广播卫星重量达5T以上,带有口径达十几米的天线,带有上千公斤的大型液体燃料贮箱,考虑发射火箭的运载能力有限并为了节约成本,航天发射活动中对卫星的重量有着严格的限制。这使得由超轻薄的柔性材料制造的轻质太阳能帆板得到广泛应用,不仅让有效载荷得到了提高,也大幅提声了运输工具的效率。但这两方面共同作用的结果,则是导致卫星太阳能帆板因为质量小,整体跨度大和刚度较低的问题,成为了非常典型的大型柔性空间结构,表现出了模态密集、阻尼低、共振频率低等动力学特性。这些特性在卫星太空运行环境下,会造成不可估量的安全问题。由于太空环境中空气阻尼几乎不存在,卫星太阳能帆板的结构阻尼可以忽略不计,则可近似看作是在无阻尼环境中运行。在这种太空环境下,由姿态机动或受外界扰动后产生的振动与弹性形变,都会在帆板上长时间的持续,不仅影响姿态控制的精度,也会使得卫星结构发生疲劳损伤,进而造成航天事故。
而在实际情况中,因太阳能帆板的柔性影响导致的卫星事故也有不少例证。1990年4月,在哈勃太空望远镜发射后,稳定工作一段时间后,其太阳能帆板因为受热载荷变化而产生振动,导致望远镜产生颤抖,其成像变得模糊而失去正常运行工作能力;我国发射的通信卫星“东方红三号”系列卫星也因太阳能帆板持续震颤而频繁调整姿态,最终因燃料耗尽而报废。由此可见,太阳能帆板变形造成的弹性振动非常危险,是威胁卫星正常运行的一大因素,需要积极应对。
鉴于上述卫星太阳能帆板的动力学问题,国内外针对航天航空器的结构形态变化检测及其实验验证开展了大量的探索与研究。研究大致可以分为理论建模研究和实际检测系统的研发。在理论研究方面,其研究重心主要侧重于建立卫星太阳能帆板与航天器的动力学方程,将柔性结构与大范围内的刚体运动之间刚柔耦合的问题作为主要的研究方向。如Kane等人基于模态假设法,比较精确的建立了平面内做旋转运动的悬臂梁动力学模型,首次提出了“动力刚化”概念。此后,动力刚化的刚柔耦合动力学问题则一时间成为了研究热点。Ryan、Hearing等对几何约束法进行了扩展,分析了在进行大范围平面运动时柔性固支梁的刚柔耦合效应;Erdman、Boutaghou等采用汉密尔顿相关原理建立了在经历大范围运动时一般柔性体的刚柔耦合动力学模型;王建民、刘又午等基于有限元分析方法,引入了单元耦合形函数,在建立的矩形板动力学模型中加入了动力刚度项;蒋建平等利用拉格朗日方程,建立了带有柔性板式附件的航天器刚柔耦合的一次近似动力学方程组,在考虑动力刚化影响的情况下,他还根据Kane方程建立了带有梁式柔性附件的在轨卫星系统的动力学方程。
可见,对于卫星体的刚柔耦合动力学问题,已经有大量的科研人员进行了分析与建模研究。但由于太空环境的随机性和难以调控性,这些仿真的研究无法确定性的给出一种对卫星太阳能帆板的形态检测与控制方案,而传统的结构变形测量与状态稳定性监测技术在太空环境中几乎无法适应,其可行性与稳定性大打折扣,需要在更先进的技术层面上进行深入研究,因此对于高精度、轻质化、高效率等性能要求苛刻的航空航天领域,机敏材料和智能结构相关技术的发展和兴起为其提供了崭新契机。
光纤智能结构也叫做光纤光栅机敏结构,是利用光纤光栅传感器与相应测量结构结合而形成的具有可定量测量的机敏材料,集合其采集与数据处理系统,可以实现对相关结构的变形状况进行实时的监测与评估。目前智能结构检测在土木工程和机械结构上已经有较成熟的应用,但在航天航空事业上却起步较晚。在1979年,NASA开展了一项光敏机构结构与蒙皮计划,首次将光纤传感器埋入复合材料蒙皮中,用来监控复合材料的应变与温度。1998年NASA在其研发的X-33原型航天器上安装了多个方向的FBG传感网络应变和温度测量系统,以实现对航天飞机的实时的健康监测。2001年德国Eche等基于12个FBG光纤光栅研究出了一套离散空间分布式传感网络,并将其运用于X-38宇宙飞船船体结构的状态监测。国内对于智能结构的研究在 20 世纪90 年代得到重视和起步,在经过二十年国家的大力经费支持与国内学者的不懈努力研究下,智能结构监测技术在我国得到了长足的进步。国内在国家科学自然基金中专门设立了智能结构相关课题,并且在航空基金和863计划中均对智能结构有着大力的支持,例如早在1991年国家自然科学基金就将智能结构研究列为新概念构想探索课题;航空基金从 1993 年起开始将智能结构列入研究计划;而在2002 年启动的重大研究计划“空天飞行器若干重大基础问题研究”中也专门对卫星太阳能帆板的结构问题进行了提出与讨论;2007年国家对于航天器智能结构又专门设立了“近空间飞行器关键基础科学问题”重大研究计划,其中智能材料和结构是其研究的核心内容之一;。而在国家大力发展智能结构的同时,国内一批高校的著名科研工作者对光纤智能结构的相关研究也取得了显著的成果。如钱晋武等采用FBG传感器对管状结构的空间曲率数据进行了采集,研究了可实现其结构形态重构的方法;张合正等人通过结合C#和OPENGL,针对柔性板状结构,利用FBG感知网络对其建立了一套基于板状结构分布式离散应变数据和曲率数据的信息采集与处理系统,同时对基于模态位移叠加的结构形态空间曲面重构算法进行了研究。朱晓锦等研究了基于正交曲率信息和拟合算法的太空帆板空间曲面拟合与重建算法。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容

本次课题研究主要基于当下热点的智能结构相关研究,对其在卫星太阳能帆板的形变检测和结构形态重构上的应用进行探索,主要完成下面三个的设计:

a) 设计一种基于fbg传感网络的大型结构件变形测量实验系统

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3. 研究计划与安排

    1. 1-3周:完成开题报告和英文翻译

    2. 4-6周:完成fbg传感网络构建

    3. 6-8周:完成软件labview实验平台搭建

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      4. 参考文献(12篇以上)

      [1]rezayata,de pauw bs lamber ti a,et al.reconstruction of impacts on a composite plateusing fibre bragg gratings(fbg) and inverse methods [j].compositestructures,2016,149:1-10

      [2] 张建辉,智能结构的研究现状及前景展望[j],科学技术与工程,2008,8(21): 5886-5890

      [3] 张合生,朱晓锦,李丽,李明东,刘凯宁,基于二维曲率数据的空间曲面形态重构算法[j],2015

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