空间站单自由度可重复展开暴露平台的设计与动力学研究：面向宇宙尘埃实验的高效模块化解决方案

为解决空间站暴露实验平台体积受限和部署效率低下的问题，研究人员开发了一种基于单自由度（one-DOF）的可重复展开暴露平台（SRDEP）。通过创新的齿轮联动机构和模块化设计，实现了14:1的高折叠比和精确的同步展开控制。研究建立了拉格朗日动力学模型，预测不同面板数量下的扭矩需求，并研制出定位精度达5.42±0.60 mm的原型机。该成果为空间站长期暴露实验提供了紧凑可靠的平台解决方案，显著提升了宇宙尘埃采集和材料实验的时空效率。

　　

在太空探索领域，空间站暴露实验平台是研究宇宙尘埃和材料性能的重要载体。然而传统固定式平台存在空间利用率低、实验容量受限等问题，而现有展开机构又面临同步性差、定位精度不足等挑战。国际空间站（ISS）上的欧洲技术暴露设施（EuTEF）和日本实验舱（Kibo）虽已开展多项暴露实验，但中国空间站（CSS）亟需发展具有自主知识产权的可展开平台技术。

针对这一需求，Junjie Li、Chong Zhao和Ke Wang团队在《iScience》发表了创新性研究。他们采用模块化设计理念，构建了由7种基本单元组成的"π型"机构库，通过齿轮组实现刚性角度约束，克服了传统剪式机构的误差累积问题。研究团队建立了包含运动学模型和拉格朗日动力学模型的理论框架，并开发了基于均匀加减速的两种驱动策略。通过地面模拟微重力环境验证，证实该平台在展开过程中能保持多面板同步运动，且中途即可开展多向尘埃采集。

关键技术方法包括：1）基于4面板模块的扩展设计，通过数学建模确定不同面板数量的组件配置；2）采用ADAMS软件进行运动学仿真，验证理论模型；3）建立拉格朗日方程预测驱动扭矩与面板数量的关系；4）研制全尺寸原型机，利用激光跟踪仪（精度5μm）和空气悬浮系统模拟空间环境测试性能。

【结构设计与可扩展性】

研究提出的一自由度可重复展开暴露平台（SRDEP）采用创新的齿轮-连杆混合传动机构。如图1所示，4面板基础单元包含3对组件（3-pair component）和4对组件（4-pair component），通过齿轮刚性连接确保同步运动。模块化设计使其可通过"π型"机制扩展，每增加3个面板需添加固定中心连杆。数学建模显示7面板平台折叠比可达14:1，如图4所示，显著优于传统剪式机构。

【运动学分析】

团队建立了两种驱动策略的数学模型：策略1直接控制3对组件转角θ₁，策略2通过电机驱动杆间接控制。ADAMS仿真验证了理论模型准确性，如图6所示电机转角θ₀与θ₁呈严格单调关系。7面板平台测试显示（图8），两种策略最大末端速度分别为0.265 m/s和0.227 m/s，加速度分别为0.043 m/s²和0.038 m/s²，满足不同负载需求。

【动力学特性】

拉格朗日模型预测显示（图10），4面板平台在40秒展开周期下，策略1和策略2最大扭矩分别为0.0766 N·m和0.0972 N·m。扩展分析表明（图13），当面板数≤7且展开周期>14.05秒时，驱动扭矩可控制在1 N·m基准线内，为电机选型提供依据。

【原型验证】

如图14所示的全尺寸原型实现了580×180×480 mm到2331 mm的展开，折叠比12.95:1。地面测试系统（图15）采用激光跟踪仪和空气悬浮装置，测得绝对定位精度x/y/z轴分别为5.42±0.60 mm、4.76±0.30 mm和2.16±0.20 mm，重复精度达微米级（图16）。

该研究通过创新的机构设计和严谨的理论建模，解决了空间站暴露平台的空间效率与运动精度矛盾。与Senatore等提出的剪式机构相比，SRDEP具有三大优势：1）齿轮联动实现<5.42 mm的定位精度；2）展开中期即可多向采集尘埃；3）模块化设计支持按需扩展。研究建立的扭矩-面板数-周期关系曲线为工程实施提供了量化依据，其技术路线也可拓展至卫星天线等空间可展开结构。未来研究可进一步优化热-结构耦合模型，并开发闭环控制算法以应对空间环境扰动。这项成果为中国空间站开展长期空间环境实验提供了重要技术支撑。