中国空间可展开结构技术的研究进展综述

本文由Xiaofei Ma（西安空间无线电技术研究所）、Tuanjie Li（西安电子科技大学机电工程学院）、Jingya Ma（北京空间飞行器系统工程研究所）等多位学者联合撰写，发表于2022年的《Engineering》期刊（Volume 17, Pages 207–219）。文章系统总结了中国在空间可展开结构（space-deployable structures）领域的最新进展，涵盖网状天线、太阳翼、深空探测机构等关键技术的创新与应用，旨在梳理技术发展脉络并展望未来趋势。

核心研究领域与技术背景

空间可展开结构是航天器的核心技术之一，需满足发射时的折叠收纳与在轨展开功能。随着通信、遥感、导航卫星对大型化、轻量化需求的提升，可展开结构成为空间科学与技术的前沿课题。本文聚焦三大类结构：
1. 大型网状天线（large space mesh antennas）——用于高增益通信与深空探测；
2. 空间太阳翼（space solar arrays）——为航天器提供能源；
3. 深空探测可展开机构（deep-space exploration mechanisms）——支持月球车、火星车等任务。

主要研究进展与典型应用

1. 大型网状天线

a. 北斗三号（BD-3）卫星的框架式可展开天线
- 采用四面体桁架单元（tetrahedron frame unit）设计，天线直径5米，收纳比1:10。
- 关键突破：高精度扫描控制与可靠展开技术，支撑中国自主导航系统建设。

b. 嫦娥四号（CE-4）中继星的伞状抛物面天线
- 天线直径4.2米，增益45 dB，解决了7.9×10⁷米长距离通信的信号衰减问题。

c. 环境一号（HJ-1C）卫星的合成孔径雷达（SAR）天线
- 采用可展开抛物面框架结构与多波束馈电技术，实现全气候观测，展开顺序包括支撑臂、馈电机构与反射器。

2. 空间太阳翼

a. 刚性太阳翼（如东方红四号DFH-4平台）
- 二次展开设计，面板由碳纤维-铝蜂窝夹层（CFRP/aluminum honeycomb）制成，功率13.5 kW。

b. 半刚性太阳翼（如东方红五号DFH-5平台）
- 二维多级展开方案，适应高轨道卫星的大功率需求（数十千瓦）。

c. 柔性太阳翼
- 中国空间站的首个柔性太阳翼厚度仅16.8 mm（为刚性结构的1/60），单翼功率9 kW，采用超薄复合基板（0.3 mm）。
- 创新案例：形状记忆聚合物复合材料（SMPC）驱动的柔性太阳翼（SMPC-FSAS），实现全球首次在轨验证。

3. 深空探测可展开机构

a. 嫦娥三号/四号月球车（玉兔号）
- 太阳能翼展开机构与桅杆集成设计，实现热控与通信功能复用。
b. 天问一号火星车国旗展开机构
- 基于SMPC的仿古卷轴设计，首次将智能材料应用于火星环境。

关键技术挑战与解决方案

1. 可展开机构设计
   

• 构型设计：需兼顾运动稳定性、同步性、奇异位形规避（singularity avoidance）。
  
• 误差控制：通过精度链分析（error chain analysis）解决制造公差、热变形等问题。
  

1. 网状反射面形面精度控制
   

• 采用几何-预应力耦合设计（geometry-pretension coupling），优化电缆张力分布以提高抗干扰能力。
  

1. 动力学分析与环境适应
   

• 多体系统动力学建模：解决柔性组件（如薄膜、电缆）的展开碰撞问题。
  
• 极端环境验证：需模拟真空、±170°C温差等条件的地面试验。
  

未来发展趋势

1. 网状天线：
   

• 超大口径单体天线（如千米级）与轻量化小型天线并行发展；
  
• 静电成形薄膜反射面（electrostatically formed membrane reflector）可能突破X/Ku波段高频需求。
  

1. 太阳翼技术：
   

• 基于柔性电池片的超轻太阳翼与模块化在轨组装技术是兆瓦级能源的潜在解决方案。
  

1. 在轨调整与建造：
   

• 主动形面补偿（active surface compensation）与智能材料（如SMPC）将提升天线精度；
  
• 在轨制造（on-orbit additive manufacturing）可能实现千米级空间结构。
  

研究意义与价值

本文不仅梳理了中国在可展开结构领域的工程成就（如北斗、嫦娥等国家级项目），还提出了未来技术路线图，为超大型空间设施（如空间太阳能电站、VLBI干涉仪）提供了理论基础。其亮点在于：
1. 多学科融合：涵盖机构学、材料学、动力学与航天工程的交叉创新；
2. 技术原创性：SMPC柔性展开机构、高收纳比网状天线等成果达到国际领先水平；
3. 应用导向：直接支撑了中国深空探测与空间站建设等重大任务。