摘要
随着人类对太空领域探索的不断深入，空间探测任务趋于多样化与复杂化，针对月面科研站、火星基地等地外设施的建造需求日益增加。载人太空舱是地外基地的重要组成部分。由于火箭运载能力有限，大型空间结构在体积与质量等方面会受到约束。折纸式折展结构具有构型多样、折展可控、便于储存运输、利于工程实施等优势，为大型结构的超远距离运输、快速建造部署等提供了一种解决方案，且目前已在多个航天器中得以应用。 本课题基于折纸艺术与超弹性大变形铰链，面向空间任务需求提出一种折展式太空舱，并进行了相关技术研究。该课题主要包括以下研究内容: 首先，设计了一种模块化、构型可变的折纸式折展舱结构，并对结构参量进行了优化。以可重构、模块化、刚性折展为导向，选取了舱体构型的基础折纸纹路。应用折痕设计理论明确了单舱折展结构的折痕分布，实现了舱体展开构型的闭合设计，满足了折展结构折叠的几何相容性条件。基于折展比、人机工效及构型配置等多个目标参量，对舱体的尺寸进行了优化。 其次，基于折展等效模型与机构运动学对单舱结构的折展运动学特性进行了研究。以部件无干涉、运动协调为前提，明确了折展舱结构的几何约束条件。通过轴移法与厚板折纸理论，将单舱折展结构等效为两类特殊的空间四连杆机构，应用D-H参数法推导了运动学变量之间的关系。基于平滑折痕的折纸理论对超弹性铰链在折展过程中的弯曲几何形态进行了描述。 再次，提出应用具有超弹性力学行为的大变形铰链替代传统合页式机构，并对其折展过程中的超弹性力学行为进行了研究。应用固体力学唯象理论对超弹性本构模型参量进行了表征，基于最小势能原理推导了超弹性铰链的纯弯曲力学模型。通过实验对解析模型与仿真结果进行了验证，并分析了理论模型的误差敏感性与适用范围。综合考虑折展过程中超弹性铰链拉伸与弯曲两种变形模式，基于机构正向运动学与能量法对整舱的折展力学特性进行了研究。 最后，以载人月球基地为背景，描述了折展太空舱的多构型配置与空间布局方案。在考虑复杂空间环境的基础上，以刚性折展结构为外防护层、充气气囊为气密层，给出了一种刚柔耦合式可折展空间舱的设计方案。搭建了折展空间舱原理样机，并对其折展运动学与力学特性进行了实验测试与分析。 综上，本文系统地研究了基于刚性厚板折纸与超弹性大变形铰链的折展太空舱的运动学与力学特性，经理论推导、仿真分析、实验验证，对该大型空间结构进行了较为深入地探讨。研究结果表明，本课题所提出的折展太空舱具有模块化设计的优势，并具备可折展性、较好的强度与刚度，在降低成本、快速配置、可重构性等方面具有促进意义，为大型空间站在轨装配、月球基地及火星站的建设提供了一种参考方案。
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