《Aerospace》：The High-Precision Configuration Prediction Technology of the Ring Deployable Antenna Driven by Synchronous Power-Assisted Hinge
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获取可靠的预展开构型对于电机驱动阶段的高精度仿真建模以及在轨预展开正常性评估至关重要。然而，针对该特定构型的相关理论研究仍然匮乏，推断主要依赖地面试验结果。为填补这一空白，研究人员基于天线系统在预展开状态下的内部力学平衡原理，提出一种创新性求解方法。具体而言，
获取可靠的预展开构型对于电机驱动阶段的高精度仿真建模以及在轨预展开正常性评估至关重要。然而，针对该特定构型的相关理论研究仍然匮乏，推断主要依赖地面试验结果。为填补这一空白，研究人员基于天线系统在预展开状态下的内部力学平衡原理，提出一种创新性求解方法。具体而言，首先将天线桁架由全展开状态约束至缩径状态，随后对天线索网施加约束；释放桁架约束后，系统通过内力重分布自动达到平衡，从而得到目标预展开构型。仿真得到的预展开天线直径与地面试验及在轨观测数据均吻合良好，验证了所提方法的有效性。
研究背景方面，随着移动通信、深空探测、微波遥感及卫星导航等技术快速发展，超大口径可展开天线需求日益迫切。环形桁架可展开天线因高收纳比与轻量化特性成为主流方向之一，其展开过程分为两步：解锁后由同步助力铰链（synchronous power-assisted hinge）内弹簧机构驱动快速到达半展开位置即预展开状态，随后由电机驱动绳索完成最终展开。现有研究多聚焦于电机驱动阶段动力学，采用绝对节点坐标法（ANCF）或几何精确梁理论结合任意拉格朗日-欧拉（ALE）公式开展建模，而预展开构型常按地面试验假定，但因大口径索网节点众多、地面无法高精度零重力卸载，预展开构型难以高精度预测。该构型作为电机驱动阶段初态，其直径偏差10%可导致杆件最大应力变化达20%、驱动电机最大输出功率变化约15%，且对在轨预展开正常性及缠绕故障识别具有重要工程价值，故亟需高精度预测方法。
研究人员提出一种基于预展开状态内部力学平衡的逆解方法：先将桁架由全展开约束至缩径，再对前后索网节点加位置约束使索网与桁架无相互作用，释放桁架约束后系统在同步铰链驱动力、T形铰链转动摩擦、粗细对角杆间滑动摩擦、索网约束、柔性件阻尼及地面工况下卸载摩擦与重力共同作用下内力重分布至平衡，得到预展开构型。论文发表于《Aerospace》。
关键技术方法上，研究人员基于第一类拉格朗日方程构建柔性多体动力学模型，对绳索与柔性杆采用几何精确梁理论（geometrically exact beam theory）描述大变形大位移并引入粘弹性阻尼模型，刚体部件按多刚体动力学处理；约束建模涵盖平动副、转动副、旋转耦合器及索网节点位置约束，摩擦采用库仑模型；运动学约束通过平滑阶跃函数将桁架单元由全展开收至缩径初位，验证数据来自陆地探测卫星四号（Land Exploration Satellite-4, LES-4）研制中研究组直接获取的地面试验与在轨观测值。
研究结果部分，第二节给出预展开直径定义（近端远端距离）、卸载系统（滑车导轨摩擦约束孔径）及索网约束（收拢态锁节点、释放后随动）的描述。第三节建立系统动力学模型：在轨平衡受同步铰链力矩、T形铰链摩擦、粗细对角杆摩擦、索网约束及阻尼控制；地面平衡叠加卸载摩擦与重力；先建全展开模型，收桁架至缩径，锁索网节点，释桁架约束令系统驱动-阻力平衡自稳。柔性体用几何精确梁以端点中线位置与旋转矢量作广义坐标，截面曲率精确，索网初应变由预张力给定；刚体按多刚体处理；约束以标记点全局坐标重合方程表达；运动约束用平滑函数收放桁架；摩擦用经典库仑模型。第四节例1对35米口径、30四边形单元环形天线仿真：零重力预展开直径为全展开88.6%，重力下因卸载摩擦与重力降至63.1%；零重力下同步铰链输出扭矩对直径几乎无影响，重力下扭矩越大直径越大。例2用LES-4数据校核：观测零重力比86.3%、重力比63.6%，仿真得87.8%与65.7%，最大误差2.1%，吻合良好。第五节讨论指出，逆解经内力重分布自发平衡，前索网张力由设计值渐降稳态；重力使地面预展开直径显著小于在轨；重力下直径与同步铰链扭矩强正相关，凸显地面试验重力补偿必要；LES-4仿真与实测误差≤2.1%证法有效。该方法为电机驱动初态提供可靠输入，可诊断索网缠绕等异常，且可推广至其他助力铰链驱动可展开天线。结论部分译文如下：本文提出一种基于内部力学平衡原理的逆解方法，用于精确预测同步助力铰链驱动的超大口径环形可展开天线预展开构型——该问题在既有文献中关键却极少被探讨。关键发现如下：所提方法将桁架由全展开约束至缩径并在施加索网约束后释放，使系统经内力重分布自主平衡，获得真实预展开构型；数值仿真表明驱动力与阻力平衡时预展开直径稳定，重力条件下直径显著小于零重力，与观测趋势一致；不同于零重力，重力下预展开直径与同步助力铰链输出扭矩呈强正相关，凸显地面试验重力补偿必要性；LES-4天线仿真预展开直径与地面及在轨数据误差在2.1%以内，验证方法有效准确。该方法为电机驱动展开阶段仿真提供可靠初态，并可在不依赖昂贵地面试验前提下诊断预展开异常（如索网缠绕）；虽在AstroMesh-1型天线上演示，该逆平衡法可推广至其他助力铰链驱动可展开天线，输入杆缆铰链参数及实测铰链扭矩与摩擦即可仿真。未来工作应扩展至在轨预展开热-机耦合效应，并将方法封装为用户友好软件工具。
