【内容简介】

本书在对空间折展机构多年理论研究和工程经验积累的基础上，密切结合航天事业发展对空间折展机构的需求，主要以空间折展机构为对象，对国内外航天工程应用的空间折展机构分类、技术发展与应用进行全面概括；基于图论和李群理论对折展机构的基本折展单元进行构型综合与设计，并提出大尺度空间折展机构组网方法及空间折展机构性能评价与优化设计方法；对两种典型的空间折展机构进行实例设计；结合工程应用介绍空间折展机构主要功能装置及地面模拟试验与测试方法。

本书可供科研院所、高等学校从事空间机构研究的工程设计人员、教师、研究生等阅读和参考。

【前　　言】

随着航天事业的发展，航天器结构越来越趋向于大型化。为减小航天器在发射阶段的包络体积，大型航天结构如雷达天线、桁架式伸展臂、太阳翼等，都需要折叠起来，待航天器入轨后再展开。空间折展机构的应用极大地拓展了航天器的功能，在空间通信、载人航天、对地观测、深空探测等方面均有重要的应用前景，已成为航天领域的研究热点之一。

本书是作者结合多年空间折展机构的理论研究和工程实践撰写而成的，主要包括空间折展机构设计方法、设计实例、主要功能部件及地面模拟试验与测试等内容。全书共分9章：第1章介绍空间折展机构的概念、主要结构形式与分类、技术发展与应用，以及本书的主要研究内容；第2章介绍图论、李群理论、螺旋理论等机构构型综合与分析的数学基础；第3章介绍基于图论、李群理论、螺旋理论对基本折展单元进行构型综合设计与自由度分析；第4章阐述多闭环机构的自由度分析方法，提出大尺度模块化空间折展机构的组网方法；第5章系统阐述折展机构的各种性能指标分析计算与评价方法，提出空间折展机构多目标优化设计方法；第6章对空间伸展臂进行实例设计，包括结构与机构设计、静力学与动力学建模分析、样机研制等；第7章对抛物面天线折展支撑桁架机构进行实例设计，包括方案设计与评价、空间几何建模方法、运动学与动力学分析、样机研制等；第8章介绍空间折展机构所应用的功能装置，包括驱动与传动装置、压紧释放装置、铰链组件等；第9章介绍空间折展机构地面模拟微重力环境方法、动力学试验方法与精度测试方法，结合伸展臂、抛物面天线支撑桁架机构进行地面模拟试验与测试。

本书作者均为从事空间折展机构研究的科研人员，第1、3、8、9章由邓宗全撰写，第2、7章由刘荣强撰写，第4、5章由李兵撰写，第6章由郭宏伟撰写。全书由邓宗全统稿，郭宏伟对全书进行了文字编辑和校对。作者指导的博士生和硕士生为本书的撰写做了大量工作，博士生黄海林提供了折展机构构型综合与连接组网的相关内容（第3、4章），博士生田大可提供了折展天线支撑桁架机构的相关内容（第7章），另外刘兆晶、王岩、赵浩江、张静、杨慧、王斌、王劲、江晋民、齐晓志等也为本书提供了相关资料，王丹丹、单明贺、武倩倩、夏艳等协助完成了本书的文字图表编辑工作，在此一并表示感谢。

本书所涉及的研究工作得到了国家自然科学基金重点项目“空间新型大尺度可折展式机构创新设计理论与方法研究”（50935002）的资助，同时得到了中国空间技术研究院总体部的项目资助。在此对项目资助单位表示感谢。

由于作者水平所限，书中难免存在疏漏或不当之处，恳请读者批评指正。

作  者

2013年1月

【目　　录】

第1章  绪  论//1

1.1  概  述//1

1.2  空间折展机构主要结构形式//1

1.3  空间折展机构技术发展与应用//3

1.3.1  空间伸展臂//3

1.3.2  平面型折展天线//12

1.3.3  抛物面型折展天线//14

1.4  空间折展机构研究内容//21

1.5  本章小结//22

参考文献//23

第2章  机构构型综合与分析的数学基础//26

2.1  概  述//26

2.2  图  论//26

2.2.1  图论在机构学中的常用定义//26

2.2.2  机构拓扑图的数学描述//28

2.3  螺旋理论//29

2.4  位移李群理论//31

2.4.1  群、交换群和子群//31

2.4.2  李群、李子群和李代数//31

2.4.3  特殊欧氏群SE(3)及刚体运动描述//32

2.5  本章小结//36

参考文献//36

第3章  折展机构单元的构型综合与几何设计//37

3.1  概  述//37

3.2  基于图论的平面折展机构单元拓扑综合//38

3.2.1  拓扑图模型的建立//38

3.2.2  拓扑对称性判别//39

3.2.3  构型的演化//45

3.3  基于图论的空间折展单元拓扑综合//46

3.3.1  空间静定桁架图谱建立//46

3.3.2  空间折展单元图谱的建立//50

3.4  空间折展机构单元的同构判别//55

3.4.1  空间折展单元的关联度码表示//55

3.4.2  空间折展单元同构判别方法//57

3.4.3  平面折叠态的四棱锥单元的综合//61

3.5  基于位移李群的机构单元构型综合//63

3.5.1  开环运动链的自由度分析与综合//63

3.5.2  对称运动度闭环机构的分析与综合//67

3.6  折展机构单元的几何设计//75

3.6.1  连杆构件的几何设计//75

3.6.2  基本展开形貌的综合//76

3.6.3  折展单闭环机构的几何设计//78

3.7  本章小结//89

参考文献//90

第4章  大尺度折展机构的组网方法//93

4.1  概  述//93

4.2  多闭环机构运动度分析//93

4.3  机构模块单元的可动连接方法//96

4.3.1  共用支链连接//96

4.3.2  共用连杆连接//96

4.3.3  共用附加机构连接//98

4.4  典型机构的大尺度组网//103

4.4.1  4R Bennett机构的组网//103

4.4.2  5R Myard机构的组网//106

4.4.3  6R Bricard机构的组网//113

4.5  本章小结//117

参考文献//117

第5章  折展机构的性能分析与优化设计//118

5.1  概  述//118

5.2  折展机构的性能分析与评价//118

5.2.1  性能评价指标//118

5.2.2  折展机构运动学分析//121

5.2.3  折展机构动力学分析//124

5.3  折展机构多目标优化设计//144

5.4  本章小结//152

参考文献//152

第6章  空间伸展臂设计实例//153

6.1  概  述//153

6.2  伸展臂及其驱动机构设计//153

6.2.1  伸展臂展收与驱动原理//154

6.2.2  伸展臂展开过程受力分析//157

6.2.3  伸展臂机构设计//160

6.2.4  伸展臂及驱动机构实物//165

6.3  伸展臂静力学特性分析//166

6.3.1  伸展臂性能参数分析//166

6.3.2  伸展臂静力学参数计算//168

6.3.3  伸展臂结构参数对性能参数的影响//176

6.3.4  伸展臂结构参数确定//177

6.4  伸展臂动力学特性分析//180

6.4.1  连续梁等效模型//180

6.4.2  伸展臂动力学分析//189

6.4.3  伸展臂动力学有限元分析//194

6.4.4  动力学模型对比分析//200

6.5  本章小结//202

参考文献//202

第7章  抛物面天线折展支撑桁架机构设计实例//204

7.1  概  述//204

7.2  折展支撑桁架机构方案设计与评价//204

7.2.1  基本折展单元的设计与评价//204

7.2.2  折展支撑桁架机构方案设计//211

7.3  折展支撑桁架机构的空间几何建模//212

7.3.1  天线工作表面拟合方法//212

7.3.2  等尺寸模块的几何建模//215

7.3.3  不等尺寸模块的几何建模//218

7.3.4  模型的验证//221

7.4  折展支撑桁架机构运动学分析//223

7.4.1  折展支撑桁架机构尺寸关系//223

7.4.2  折展肋单元展开运动学分析//225

7.5  折展支撑桁架机构动力学分析//231

7.5.1  有限元建模及模态分析//232

7.5.2  支撑桁架机构的模态分析//232

7.5.3  支撑桁架机构的谐响应分析//234

7.5.4  固有频率影响因素分析//235

7.6  折展支撑桁架机构参数设计//238

7.6.1  结构参数的优化模型//238

7.6.2  结构优化参数预测模型//239

7.6.3  优化设计结果分析//244

7.7  折展支撑桁架机构设计//245

7.8  本章小结//252

参考文献//252

第8章  折展机构主要功能装置//253

8.1  概  述//253

8.2  驱动与传动装置//253

8.2.1  驱动装置//253

8.2.2  传动装置//256

8.2.3  驱动与传动一体化装置//260

8.2.4  冗余驱动装置//261

8.3  压紧释放装置//264

8.3.1  火工压紧释放装置//264

8.3.2  记忆合金压紧释放装置//268

8.4  关节铰链//270

8.4.1  弹簧铰链//270

8.4.2  高精度铰链//271

8.4.3  高刚度铰链//272

8.4.4  柔性铰链//275

8.5  本章小结//284

参考文献//284

第9章  折展机构地面模拟试验//286

9.1  概  述//286

9.2  微重力模拟试验//286

9.2.1  试验方法//286

9.2.2  伸展臂微重力模拟测试//288

9.2.3  天线支撑桁架机构微重力模拟测试//289

9.3  精度测量试验//291

9.3.1  测量方法//291

9.3.2  天线支撑桁架机构展开精度测量//294

9.4  动力学试验//298

9.4.1  测试方法//298

9.4.2  伸展臂动力学试验//300

9.5  模态试验//305

9.5.1  伸展臂模态试验//305

9.5.2  模态试验结果分析//308

9.5.3  天线支撑桁架机构动力学试验//309

9.6  本章小结//312

参考文献//312

名词索引//313