劉志全，操安博，林秋紅

(中國(guó)空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引 言

防雜散光、防外熱流輸入是近年來(lái)許多航天器設(shè)計(jì)的重要技術(shù)要求。裝有對(duì)雜散光敏感的儀器設(shè)備(如星敏感器、相機(jī)、太空望遠(yuǎn)鏡等)的航天器，其飛行任務(wù)的成敗與防雜散光效果密切相關(guān)。來(lái)自太陽(yáng)等光源的雜散光會(huì)降低儀器的信噪比，甚至?xí)?dǎo)致成像模糊、任務(wù)失敗。傳統(tǒng)的雜散光抑制措施(用光闌控制雜散光輸入或用涂層吸收雜散光等)的能力十分有限，難以滿足航天器日益嚴(yán)苛的需求。在儀器設(shè)備外部安裝遮光罩雖然會(huì)增加航天器的質(zhì)量和姿態(tài)控制難度，但是能夠直接防止雜散光的輸入，并且可與傳統(tǒng)的防雜散光措施配合使用，已成為很多航天器的必然選擇。在熱控方面，大功率儀器設(shè)備產(chǎn)生的熱量很難依靠一般的被動(dòng)熱控措施(如噴熱控漆、預(yù)埋或外貼熱管等)散發(fā)出去，往往需要借助流體回路對(duì)流換熱等復(fù)雜的主動(dòng)熱控措施來(lái)散發(fā)熱量，若再加上太陽(yáng)光外熱流的輸入，完全依靠主動(dòng)熱控措施，將會(huì)極大地增加熱控部分的質(zhì)量和復(fù)雜度。百葉窗也是防止外熱流輸入的一種技術(shù)手段，但它也涉及驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制單元，其復(fù)雜程度及聯(lián)動(dòng)繩或鏈傳動(dòng)的鉤掛風(fēng)險(xiǎn)也使其應(yīng)用受限。遮光罩能夠避免太陽(yáng)光外熱流的輸入，從而降低航天器對(duì)主動(dòng)熱控的需求。因此，迫切需要研制質(zhì)量輕、展收比大的航天器可展開薄膜遮光罩，以消除或降低雜散光、外熱流給航天器帶來(lái)的不利影響，降低航天器熱控部分的復(fù)雜程度。為了借鑒國(guó)內(nèi)外可展開薄膜遮光罩的研制經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)可展開薄膜遮光罩技術(shù)的發(fā)展，本文從幾何構(gòu)型、展開驅(qū)動(dòng)技術(shù)、薄膜折痕設(shè)計(jì)、薄膜褶皺動(dòng)力學(xué)分析四個(gè)方面對(duì)可展開薄膜遮光罩的機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展進(jìn)行綜述，對(duì)可展開薄膜遮光罩機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，旨在為薄膜遮光罩的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 可展開薄膜遮光罩幾何構(gòu)型的發(fā)展

目前，可展開薄膜遮光罩的幾何構(gòu)型主要分為柱面和平面。航天器在軌飛行期間鏡頭等設(shè)備的外法向與太陽(yáng)光線的夾角稱為太陽(yáng)光照射角。為了抑制雜散光，需要根據(jù)在軌飛行期間可能發(fā)生的最小太陽(yáng)光照射角來(lái)設(shè)計(jì)遮光罩的構(gòu)型和尺寸。太陽(yáng)光照射角偏小時(shí)通常用柱面遮光罩，但是柱面遮光罩顯著減小鏡頭的視場(chǎng)角；太陽(yáng)光照射角偏大時(shí)可酌情用柱面或平面遮光罩。根據(jù)軌道計(jì)算可知，大多數(shù)對(duì)地觀測(cè)航天器都面臨太陽(yáng)光照射角偏小的情況，往往采用柱面遮光罩。運(yùn)行在日地拉格朗日L2點(diǎn)附近的太空望遠(yuǎn)鏡始終背向太陽(yáng)來(lái)觀測(cè)太陽(yáng)系外天體，太陽(yáng)光照射角始終偏大，因此可用平面遮光罩或柱面遮光罩。日冕儀需要將遮光罩置于鏡頭前方并且要求遮光面積盡可能大，因此必須使用平面遮光罩，詳見(jiàn)后文1.2節(jié)。

1.1 柱面遮光罩

2004年，文獻(xiàn)[3-4]介紹了MITAR遙感小衛(wèi)星柱面可展開薄膜遮光罩。該遮光罩的展開機(jī)構(gòu)由5個(gè)如圖1所示的正八邊形柱面單元縱向堆疊而成，每個(gè)單元包含上下兩個(gè)正八邊形框架，下方單元的頂部框架即為上方單元的底部框架。相鄰八邊形框架之間交叉安裝4組共8個(gè)帶簧鉸鏈，鉸鏈的兩端分別與上下框架連接。遮光薄膜貼附在八邊形框架的外側(cè)。通過(guò)帶簧鉸鏈之間的角度變化實(shí)現(xiàn)遮光罩的收攏與展開。衛(wèi)星入軌前，繩索捆綁住所有正八邊形框架，使每組帶簧鉸鏈之間的夾角為零。遮光罩呈收攏狀態(tài)，帶簧鉸鏈處于彎折狀態(tài)。當(dāng)衛(wèi)星入軌后，火工裝置按照飛行程序的點(diǎn)火指令點(diǎn)火，將捆綁正八邊形框架的繩索切斷，解除繩索對(duì)正八邊形框架的約束。在帶簧鉸鏈彈性力作用下，各單元正八邊形框架沿柱面軸線方向展開，從而帶動(dòng)薄膜實(shí)現(xiàn)遮光罩的展開。

圖1 MITAR正八棱柱柱面遮光罩單元(未貼薄膜的展開狀態(tài))Fig.1 Octagonal cylindrical element of MITAR sunshield (deployed and without membrane)

這種在展開機(jī)構(gòu)外側(cè)直接貼附薄膜的遮光罩，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟度好。但是在展開過(guò)程中存在框架損傷薄膜的風(fēng)險(xiǎn)，影響遮光罩的遮光和隔熱性能。

2009年，美國(guó)諾斯羅普-格魯曼公司的Danner等為IXO望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)了可展開框架位于遮光薄膜內(nèi)側(cè)而與薄膜間無(wú)貼附關(guān)系的遮光罩，見(jiàn)圖2。

圖2 IXO棱柱柱面遮光罩Fig.2 IXO prism sunshield

3組鉸接桿伸展機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源是3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)固連在航天器結(jié)構(gòu)上。鉸接桿伸展機(jī)構(gòu)的另一端連接多邊形法蘭盤。遮光薄膜的一端與航天器結(jié)構(gòu)連接，另一端與多邊形法蘭盤邊緣連接。航天器入軌后，3組鉸接桿伸展機(jī)構(gòu)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下同步展開，推動(dòng)多邊形法蘭盤向遠(yuǎn)離航天器結(jié)構(gòu)的方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)遮光薄膜展開，如圖2(左圖)所示。鉸接桿伸展機(jī)構(gòu)上固定的兩個(gè)擋板僅用于控制光路，其剛度較低，對(duì)提高遮光罩橫向剛度不起作用。光線經(jīng)光學(xué)模塊上的鏡頭進(jìn)入遮光罩內(nèi)部，經(jīng)兩擋板缺口被遮光罩底部的相機(jī)接收。鉸接桿伸展機(jī)構(gòu)在伸展過(guò)程中會(huì)推動(dòng)兩個(gè)擋板到特定位置。

該設(shè)計(jì)能有效避免薄膜與可展開框架接觸，展收比(柱面遮光罩的展收比為遮光罩在柱面高度方向上展開和收攏狀態(tài)下的長(zhǎng)度之比)較大。但是可展開框架位于遮光罩內(nèi)部會(huì)影響光學(xué)設(shè)備的光路，該設(shè)計(jì)僅能用于對(duì)展開精度要求極高的特定光學(xué)系統(tǒng)(如IXO望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)模塊位置誤差不能超過(guò)1 mm)。此外，該柱面遮光罩橫向剛度較低。

2004年，美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Fang等設(shè)計(jì)的TPF-C(Terrestrial planet finder-coronagraph)望遠(yuǎn)鏡的柱面遮光罩見(jiàn)圖3。

圖3 TPF-C柱面遮光罩(截面圖)Fig.3 Cylindrical sunshield of TPF-C (cross-section view)

該望遠(yuǎn)鏡柱面遮光罩采用伸縮桿(展開機(jī)構(gòu))位于遮光罩外部的設(shè)計(jì)。遮光罩包含6層遮光薄膜，每層膜分為8瓣，最里層的遮光薄膜為正八棱柱柱面，最外層的遮光薄膜為正八棱臺(tái)的側(cè)面,在每層膜的末端有一根張緊薄膜的懸鏈,8根隔離桿將各層薄膜隔開。整個(gè)遮光罩呈內(nèi)棱柱面、外棱臺(tái)面的形狀,有利于熱量在薄膜間反射后從棱臺(tái)底邊一側(cè)排出。8根伸縮桿的兩端分別連接航天器結(jié)構(gòu)與隔離桿,每根伸縮桿底部都有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。航天器入軌后伸縮桿在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下伸長(zhǎng)，展開遮光薄膜。繩索起力矩平衡、穩(wěn)定伸縮桿的作用。

與可展開框架位于遮光罩內(nèi)部的設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)更方便實(shí)現(xiàn)各伸縮桿間的橫向連接，橫向剛度高，可實(shí)現(xiàn)具有多層薄膜的遮光罩。但是多層薄膜折疊時(shí)膜間氣體的排出較為困難。

當(dāng)雜散光與柱面遮光罩軸線傾斜并射入完整柱面遮光罩內(nèi)部時(shí)，部分雜散光會(huì)在遮光罩內(nèi)壁反射，影響衛(wèi)星相機(jī)的成像質(zhì)量，如圖4 (a)所示。在遮光罩內(nèi)部增加擋光環(huán)可以消除這部分雜散光,但這樣既增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，又增加了可展開框架展開時(shí)鉤掛的風(fēng)險(xiǎn)。局部柱面遮光罩(如圖4 (b)所示)相當(dāng)于將完整的柱面遮光罩沿雜散光光束方向斜切掉一部分所形成。對(duì)于局部柱面遮光罩來(lái)說(shuō)，可根據(jù)太陽(yáng)光與航天器之間的相對(duì)位置關(guān)系，將局部柱面遮光罩設(shè)計(jì)為繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)(或局部柱面遮光罩與航天器結(jié)構(gòu)之間固連，讓航天器繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng))讓來(lái)自特定角度的雜散光不進(jìn)入遮光罩,這樣可避免完整柱面遮光罩存在的雜散光在罩內(nèi)反射問(wèn)題。因此，局部柱面遮光罩消除雜散光的能力更強(qiáng)。

圖4 完整柱面和局部柱面遮光罩對(duì)比Fig.4 Comparison of complete and partial cylindrical sunshields

2010年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所蔣范明等研制了具有與MITAR相類似可展開框架結(jié)構(gòu)的可轉(zhuǎn)動(dòng)式局部柱面可展開薄膜遮光罩?？蚣艿撞堪惭b了可轉(zhuǎn)動(dòng)的隨動(dòng)底座，電機(jī)通過(guò)鋼絲繩驅(qū)使隨動(dòng)底座旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可展開框架旋轉(zhuǎn)。

2019年，北京空間機(jī)電研究所曹旭等為高分七號(hào)遙感衛(wèi)星的相機(jī)研制了局部柱面可展開薄膜遮光罩，見(jiàn)圖5。遮光罩由4瓣相互獨(dú)立的遮光薄膜組成。每瓣薄膜兩端有2根“豆莢桿”(詳見(jiàn)2.2節(jié))。相鄰兩瓣薄膜重合搭接，避免漏光。衛(wèi)星入軌前，所有“豆莢桿”向外翻折由繩索固定，遮光罩收攏。衛(wèi)星入軌后，火工裝置點(diǎn)火切斷繩索，“豆莢桿”的彈性力驅(qū)使遮光薄膜展開。2021年，曹旭等在文獻(xiàn)[13]中介紹了該遮光罩展開過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真研究。

圖5 高分七號(hào)衛(wèi)星局部柱面可展開薄膜遮光罩Fig.5 Partial cylindrical deployable membrane sunshield of the GF-7 satellite

該遮光罩與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)之間固連。為持續(xù)遮擋雜散光，需要衛(wèi)星繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。該遮光罩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量較輕。但是展開過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊對(duì)光學(xué)設(shè)備有一定影響;瓣間無(wú)橫向連接，橫向剛度相對(duì)較低。

局部柱面遮光罩雖然能夠有效減少雜散光，但它僅對(duì)特定方向的雜散光有效，因此須根據(jù)太陽(yáng)與航天器間的相對(duì)位置來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)遮光罩或衛(wèi)星，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和能耗，產(chǎn)生的微振動(dòng)會(huì)影響成像質(zhì)量。

1.2 平面遮光罩

2011年，歐洲航天局(ESA)所屬歐洲空間科學(xué)研究和技術(shù)中心(ESTEC)為Gaia太空望遠(yuǎn)鏡研制了一個(gè)花瓣?duì)畹钠矫嬲诠庹?，?2個(gè)矩形瓣和12 個(gè)三角形瓣組成。遮光罩與太陽(yáng)電池板采用一體化設(shè)計(jì)。單矩形瓣如圖6(a)所示；遮光罩局部結(jié)構(gòu)中矩形瓣和三角形瓣的位置見(jiàn)圖6(b)。每個(gè)矩形瓣包括一個(gè)太陽(yáng)電池板和一個(gè)碳纖維增強(qiáng)塑料框架，框架中央橫梁布有一個(gè)壓緊釋放裝置?？蚣軆?nèi)外表面貼附遮光薄膜。壓緊釋放裝置和太陽(yáng)電池板分別位于框架內(nèi)表面和外表面兩側(cè)?？蚣芘c航天器結(jié)構(gòu)連接處的電機(jī)驅(qū)動(dòng)框架旋轉(zhuǎn)。遮光罩呈收攏狀態(tài)時(shí)，三角形瓣處的遮光薄膜按預(yù)留的折痕折疊，壓緊釋放裝置將矩形瓣固定在柱狀的航天器結(jié)構(gòu)側(cè)壁。當(dāng)航天器入軌后，壓緊釋放裝置解除對(duì)矩形瓣的約束，電機(jī)驅(qū)動(dòng)框架旋轉(zhuǎn)至所需平面位置，三角形瓣也隨之從收攏狀態(tài)變?yōu)檎归_狀態(tài)。歐洲航天局用多個(gè)原理樣機(jī)驗(yàn)證了該遮光罩的性能。2019年，印度海德拉巴大學(xué)Hasan認(rèn)為Gaia太空望遠(yuǎn)鏡遮光罩邊緣使多于預(yù)期的雜散光進(jìn)入鏡頭。

圖6 Gaia望遠(yuǎn)鏡平面遮光罩Fig.6 The planar sunshield of the Gaia telescope

2020年，中國(guó)空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的仝照遠(yuǎn)等為覓音望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)了與Gaia遮光罩相類似的遮光罩，尺寸較小，具有6個(gè)矩形瓣和6個(gè)三角形瓣，用帶簧鉸鏈來(lái)驅(qū)動(dòng)框架旋轉(zhuǎn)。

上述平面遮光罩具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性，質(zhì)量較輕。但是，遮光罩和太陽(yáng)電池板的一體化設(shè)計(jì)也有一定的負(fù)面影響，陽(yáng)光帶給電池板的熱會(huì)傳遞給遮光薄膜，影響遮光罩的隔熱效果。此外，矩形瓣的最大長(zhǎng)度與航天器結(jié)構(gòu)的高度相同，而航天器高度受整流罩的尺寸限制，因此該遮光罩的展收比(平面遮光罩的展收比為遮光罩在展開平面上展開和收攏狀態(tài)下垂直投影面積之比)受限，難以用這種遮光罩實(shí)現(xiàn)大的展收比。

美國(guó)國(guó)家航空航天局的TPF-O(Terrestrial planet finder-occulter)任務(wù)(2007年)、Starshade任務(wù)(2008年)和THEIA(Telescope for habitable exoplanets and interstellar/intergalactic astronomy)任務(wù)(2007年)都計(jì)劃研制平面可展開薄膜遮光罩來(lái)遮擋太陽(yáng)系外其他恒星的雜光，以保護(hù)望遠(yuǎn)鏡(日冕儀)。其工作原理與日食期靠月球遮擋太陽(yáng)光來(lái)觀測(cè)水星相同。因花瓣結(jié)構(gòu)能改善遮光罩的衍射特性，故以上平面遮光罩均設(shè)計(jì)成花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)。

THEIA遮光罩系直徑為40 m的平面可展開薄膜遮光罩，服務(wù)于直徑為4 m的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡和遮光罩是兩個(gè)彼此獨(dú)立的、均運(yùn)行在日地拉格朗日L2點(diǎn)暈軌道上的航天器。望遠(yuǎn)鏡和遮光罩組成的光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)多種精密測(cè)控定位方法進(jìn)行定位，依靠高精度電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，使得觀測(cè)時(shí)遮光罩保持在距離望遠(yuǎn)鏡35 000 km或55 000 km的位置，兩者中心軸重合，中心軸指向太陽(yáng)系外某恒星，每次觀測(cè)持續(xù)數(shù)千秒。觀測(cè)過(guò)程中遮光罩遮擋來(lái)自恒星的強(qiáng)烈雜光，使得光學(xué)望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)到距離恒星較近的類地行星反射的光線。2009年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的Kasdin為THEIA望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)了如圖7所示的平面遮光罩。

圖7 THEIA平面遮光罩展開和收攏狀態(tài)Fig.7 Deployment and stowage of the planar sunshield of THEIA

THEIA遮光罩分為花瓣區(qū)和中央?yún)^(qū)。花瓣區(qū)的每個(gè)“花瓣”由框架貼附單層遮光薄膜組成。中央?yún)^(qū)通過(guò)伸縮桿與航天器結(jié)構(gòu)連接。航天器入軌后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)伸縮桿伸長(zhǎng)，中央?yún)^(qū)的薄膜隨之受拉而展開,然后伸縮桿旋轉(zhuǎn)依次展開花瓣區(qū)。但文獻(xiàn)[22]尚未提及如何通過(guò)旋轉(zhuǎn)伸縮桿來(lái)展開花瓣區(qū)，僅提到展開需大量高精度電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉸鏈。

2008年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)的Cash為Starshade任務(wù)設(shè)計(jì)了平面可展開薄膜遮光罩。該遮光罩也分為中央?yún)^(qū)和花瓣區(qū)，中央?yún)^(qū)周圍有可展開框架，遮光罩展開和收攏狀態(tài)如圖8所示。

圖8 Starshade平面遮光罩Fig.8 Starshade planar sunshield

中央?yún)^(qū)的薄膜大致呈圓形，可通過(guò)flasher折紙技術(shù)(見(jiàn)本文第3節(jié))進(jìn)行折疊，折疊后為一空心柱體，空心處為航天器結(jié)構(gòu)。中央?yún)^(qū)周圍有環(huán)形可展開框架，見(jiàn)圖9。

圖9 Starshade平面遮光罩可展開框架Fig.9 Deployable truss of Starshade sunshield

框架包含長(zhǎng)桿、短桿和上、下連接件。上連接件由2個(gè)三角形結(jié)構(gòu)按一定角度組合而成，內(nèi)部有鉸鏈，上連接件上的長(zhǎng)桿、短桿可以繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)。上連接件上表面有凹槽，長(zhǎng)桿在框架展開后可進(jìn)入凹槽實(shí)現(xiàn)位置鎖定;下連接件與上連接件類似，但是沒(méi)有凹槽。上、下連接件內(nèi)部有動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)桿、短桿旋轉(zhuǎn)，文獻(xiàn)[24-25]未提及驅(qū)動(dòng)方式。

可展開框架的每根長(zhǎng)桿一側(cè)貼附中央?yún)^(qū)薄膜，另一側(cè)貼附花瓣區(qū)的一瓣?；ò陞^(qū)由柔性材料制成。遮光罩收攏時(shí)的花瓣區(qū)卷在中央?yún)^(qū)形成的空心柱體周圍，如圖8(b)所示。航天器入軌后，火工切割器切斷可展開框架上、下連接件內(nèi)部的繩索，長(zhǎng)桿、短桿展開，將中央?yún)^(qū)展開成圓形平面?；ò陞^(qū)靠自身彈性從折疊時(shí)的卷曲狀態(tài)恢復(fù)至平面狀態(tài)。

2016年Starshade項(xiàng)目制作了帶有4片花瓣的可展開框架，實(shí)現(xiàn)了框架的展開，但是該展開可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，花瓣并未進(jìn)行卷曲。Starshade平面遮光罩與TPF-O任務(wù)的遮光罩結(jié)構(gòu)相似。

Starshade遮光罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前尚未完成。設(shè)計(jì)者沒(méi)有說(shuō)明如何驅(qū)動(dòng)中央?yún)^(qū)展開至平面。由于中央?yún)^(qū)半徑為10 m，尺寸較大，而上、下連接件體積較小，難以設(shè)計(jì)有足夠驅(qū)動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。此外，用柔性材料的微弱彈性來(lái)展開花瓣區(qū)，展開可靠性和平面度都難以保證。THEIA和Starshade遮光罩直徑均為40 m，遠(yuǎn)超其他平面遮光罩，能保證較大的展收比，但還需要完善設(shè)計(jì)。

2007年，美國(guó)諾斯羅普-格魯曼公司的Yamane等為詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)研制了V字型平面遮光罩，它是目前世界上尺寸最大已裝航天器的平面遮光罩，如圖10所示。

圖10 JWST平面遮光罩Fig.10 JWST sunshield

該遮光罩的遮光薄膜采用5層彼此隔離的、覆蓋蒸汽沉積鋁涂層的聚酰亞胺薄膜，其中，離望遠(yuǎn)鏡最遠(yuǎn)的2層薄膜的一側(cè)(面向太陽(yáng)的一側(cè))又額外涂有硅基涂層。前方支架和后方支架分別通過(guò)前方展開機(jī)構(gòu)和后方展開機(jī)構(gòu)與航天器結(jié)構(gòu)相連，展開機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。前方支架和后方支架均呈內(nèi)側(cè)凹陷狀，形如托盤。遮光罩收攏時(shí)將薄膜折疊后放入托盤中。2根中部伸縮桿可通過(guò)套筒機(jī)構(gòu)伸長(zhǎng)。前方張緊桿和后方張緊桿分別固定在前方支架和后方支架上，中部張緊桿固定在中部伸縮桿上，所有張緊桿通過(guò)繩索與薄膜相連，并且內(nèi)部有滑輪組用于張緊薄膜。遮光罩展開時(shí)，首先前方支架和后方支架旋轉(zhuǎn)展開，然后中部伸縮桿伸長(zhǎng)，將薄膜從托盤內(nèi)拉出，實(shí)現(xiàn)薄膜展開，最后張緊桿內(nèi)部滑輪組收緊繩索，使5層薄膜張緊。作為JWST遮光罩成果的推廣應(yīng)用，一些正在設(shè)計(jì)中的空間望遠(yuǎn)鏡，如TALC(Thin aperture light collector)和SAFIR(Single aperture far infrared observatory)也計(jì)劃用V字型可展開薄膜遮光罩。

JWST遮光罩用2個(gè)托盤狀框架和2根伸縮桿實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單的展開過(guò)程，遮光和隔熱能力很強(qiáng)。但是大尺寸的前方支架和后方支架對(duì)其結(jié)構(gòu)力學(xué)特性設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。多層薄膜在折疊過(guò)程中的排氣也是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。另外，JWST的遮光罩展開后的長(zhǎng)度約等于前方支架與后方支架長(zhǎng)度之和，而前方、后方支架在該空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前也要收攏放置于整流罩內(nèi)部，同樣受到整流罩高度的限制，因此JWST遮光罩也難以適應(yīng)更大的尺寸需求。

表1對(duì)不同構(gòu)型遮光罩的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。

表1 不同構(gòu)型遮光罩的特點(diǎn)比較Table 1 Comparison of sunshields with different configurations

2 可展開薄膜遮光罩展開驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

可展開薄膜遮光罩的可展開框架目前主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、彈性自驅(qū)動(dòng)和充氣驅(qū)動(dòng)3種展開驅(qū)動(dòng)方式。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)展開

除了前文提到的IXO和TPF-C柱面遮光罩以及Gaia和JWST平面遮光罩均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)展開外，圖11～圖13展示的柱面遮光罩及圖14展示的平面遮光罩也采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2013年，上海衛(wèi)星工程研究所薛景賽等設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)3級(jí)套筒柱面遮光罩,如圖11所示。

圖11 電機(jī)驅(qū)動(dòng)3級(jí)套筒柱面遮光罩Fig.11 Motor-driven cylindrical 3-sleeve sunshield

該遮光罩使用了半徑逐級(jí)增大的3級(jí)套筒。筒框內(nèi)側(cè)貼附遮光薄膜，套筒外側(cè)安裝了由5個(gè)菱形桿系組成的驅(qū)動(dòng)組件。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，菱形的縱向尺寸增大橫向尺寸減小，驅(qū)動(dòng)組件整體縱向伸長(zhǎng)并將套筒逐級(jí)拉出，實(shí)現(xiàn)展開。該設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但套筒展開過(guò)程存在薄膜被剮蹭的風(fēng)險(xiǎn)。

2019年，安繼萍等設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)三維展開柱面遮光罩見(jiàn)圖12(a)，能夠在軸向和徑向同時(shí)展開柱面遮光薄膜。該遮光罩的底部和頂部具有不同的展開機(jī)構(gòu)，如圖12(b)和(c)所示。

圖12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向和徑向同時(shí)展開的柱面遮光罩Fig.12 Motor-driven cylindrical sunshield deployable in axial and radial direction

遮光罩底部有6根折疊桿，每根桿分上段和下段。遮光罩頂部中心處為一系列伸縮套環(huán)。遮光薄膜一端連接底部的折疊桿上段，另一端連接頂部的支撐桿。支撐臂可以推動(dòng)支撐桿繞最頂端的伸縮套環(huán)旋轉(zhuǎn)。衛(wèi)星入軌后，遮光罩底部的折疊桿上段和下段在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下由折疊狀態(tài)展開為伸直狀態(tài)，展開后的6根桿的末端連線構(gòu)成正六邊形。遮光罩頂部通過(guò)“絲杠-導(dǎo)軌”驅(qū)動(dòng)伸縮套環(huán)伸展，實(shí)現(xiàn)遮光罩縱向伸長(zhǎng)。當(dāng)“絲杠-導(dǎo)軌”到達(dá)預(yù)設(shè)位置，支撐臂會(huì)推動(dòng)支撐桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)遮光罩頂部展開。完全展開后的遮光薄膜形狀為六棱柱面。該遮光罩展開面積較大，但是整個(gè)機(jī)構(gòu)包含多組不同的電機(jī)，展開過(guò)程要求這些電機(jī)按規(guī)定順序和速度運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)組成復(fù)雜，基本可靠性較低。展開后伸縮套環(huán)位于遮光罩內(nèi)部，會(huì)遮擋光路。

2020年中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所吳春亮等設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的3桿系及圓環(huán)遮光罩薄膜展開裝置，見(jiàn)圖13。遮光薄膜位于頂環(huán)和底環(huán)之間，3組桿系位于遮光薄膜外側(cè)。每組桿系的主動(dòng)桿連接電機(jī)，并與從動(dòng)桿鉸接，從動(dòng)桿與頂環(huán)鉸接?！半姍C(jī)—主動(dòng)桿—從動(dòng)桿—頂環(huán)”這一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)薄膜展開，當(dāng)主、從桿共線時(shí)，遮光罩展開到位并鎖定。該3組桿系間無(wú)橫向連接，故橫向剛度較低。

圖13 電機(jī)驅(qū)動(dòng)3桿系柱面遮光罩Fig.13 Motor-driven cylindrical 3-boom-system sunshield

2008年JPL的Williams等提出的平面遮光罩也采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)展開，如圖14(a)所示。該遮光罩具有6根折疊桿和6根張緊桿，張緊桿連接3層遮光薄膜，每層遮光薄膜為六邊形，越靠近折疊桿的薄膜面積越大。每根折疊桿一端連接航天器結(jié)構(gòu)，另一端連接一根張緊桿。折疊桿分2段，2段折疊桿之間、折疊桿與航天器結(jié)構(gòu)連接處以及折疊桿與張緊桿連接處均有電機(jī)。圖14(b)為展開過(guò)程的局部剖面圖，首先折疊桿在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下從折疊狀態(tài)伸直，展開遮光薄膜，然后張緊桿抬起，張緊薄膜。該設(shè)計(jì)也需解決收攏狀態(tài)下遮光薄膜間殘余氣體的排出問(wèn)題。

圖14 電機(jī)驅(qū)動(dòng)平面遮光罩Fig.14 Motor-driven planar sunshield

電機(jī)驅(qū)動(dòng)以其技術(shù)成熟、展開沖擊較小、鎖定能力強(qiáng)、展開過(guò)程精確可控等優(yōu)點(diǎn)備受航天器遮光罩設(shè)計(jì)者的青睞。但是，電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要依賴電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器的可靠性，一旦出現(xiàn)供電故障，上述所有優(yōu)點(diǎn)都將無(wú)法顯現(xiàn)。

2.2 彈性自驅(qū)動(dòng)展開

彈性自驅(qū)動(dòng)展開是依靠彈性材料自身彈性來(lái)展開的。這與傳統(tǒng)的拉壓彈簧驅(qū)動(dòng)的直線展開及渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)展開有明顯的區(qū)別：在彈性自驅(qū)動(dòng)展開過(guò)程中，彈性材料本身既是驅(qū)動(dòng)源又是被展開對(duì)象。彈性自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，“豆莢桿”相比帶簧鉸鏈質(zhì)量更輕，但展開驅(qū)動(dòng)力和自鎖能力相對(duì)較弱，適用于展開尺寸為0.1 m～1 m的遮光罩；帶簧鉸鏈適用于展開尺寸為1 m～5 m的遮光罩。在傳統(tǒng)的彈簧驅(qū)動(dòng)展開中，彈簧只是驅(qū)動(dòng)源，并非被展開對(duì)象；傳統(tǒng)的彈簧驅(qū)動(dòng)雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但展開尺寸有限，適用于展開尺寸小于0.1 m的遮光罩。

2018年，長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司張雷等設(shè)計(jì)了彈簧+彈性自驅(qū)動(dòng)可展開薄膜遮光罩，如圖15所示。遮光薄膜連接上安裝座和下安裝座，彈簧位于遮光薄膜內(nèi)側(cè)。同時(shí)，下安裝座外側(cè)的4個(gè)容器內(nèi)均安裝有彈性自驅(qū)動(dòng)卷尺彈簧。遮光罩處于收攏狀態(tài)時(shí)，通過(guò)繩索來(lái)把上安裝座固定在下安裝座上，繩索經(jīng)過(guò)下安裝座外側(cè)的火工切割器。當(dāng)衛(wèi)星入軌后，火工切割器發(fā)火并切斷繩索，上安裝座在彈簧推動(dòng)下沿軸向移動(dòng)，同時(shí)展開卷尺彈簧。卷尺彈簧伸直后具有一定剛度，固定了遮光罩展開后的形狀。

圖15 彈簧+彈性自驅(qū)動(dòng)展開柱面遮光罩Fig.15 Cylindrical sunshield deployed by springs and elastic self-driving mechanism

2020年，北京航空航天大學(xué)白江波等設(shè)計(jì)了復(fù)合材料彈性自驅(qū)動(dòng)展開的遮光罩,該設(shè)計(jì)與張雷等的設(shè)計(jì)相類似。2020年，中國(guó)空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部林秋紅等設(shè)計(jì)了復(fù)合材料波紋板彈性自驅(qū)動(dòng)展開的遮光罩， 4條彼此獨(dú)立的復(fù)合材料波紋板驅(qū)動(dòng)遮光罩展開,但波紋板間無(wú)橫向連接，該遮光罩橫向剛度和穩(wěn)定性不高。

帶簧鉸鏈?zhǔn)菍⒍鄺l帶簧通過(guò)壓板并排連接構(gòu)成的機(jī)構(gòu)，如圖16所示。由于可以安裝較多帶簧，帶簧鉸鏈伸直后的剛度較高，能夠用于較大尺寸遮光罩的展開。蔣范明等和Warren等分別設(shè)計(jì)了帶簧鉸鏈展開的局部柱面遮光罩，展開高度可達(dá)5 m。

圖16 帶簧鉸鏈Fig.16 Tape spring hinge

“豆莢桿”由2片“Ω”形彈性薄殼對(duì)稱膠黏或焊接連接而成，彈性薄殼常用材料為鈹青銅、鋼帶或復(fù)合材料，如圖17所示。當(dāng)“豆莢桿”翻折時(shí)，翻折處可以等效于僅有兩條帶簧的帶簧鉸鏈。Pica在MITAR遮光罩高分子膠粘接2片鋼帶制作“豆莢桿”的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)存在蠕變現(xiàn)象，無(wú)法長(zhǎng)期貯存，而且高分子膠在空間環(huán)境下易發(fā)生性能退化。曹旭等在高分七號(hào)衛(wèi)星遮光罩上采用了由2片鈹青銅焊接而成的“豆莢桿”，提高了空間環(huán)境適應(yīng)性和抗蠕變性。

圖17 “豆莢桿”Fig.17 Lenticular boom

彈性自驅(qū)動(dòng)展開無(wú)需額外的供能系統(tǒng)，組成簡(jiǎn)單，基本可靠性高，在可展開薄膜遮光罩上具有良好的應(yīng)用前景。其主要缺點(diǎn)是展開過(guò)程產(chǎn)生的沖擊對(duì)光學(xué)設(shè)備有一定影響，需進(jìn)行影響評(píng)估。

2.3 充氣驅(qū)動(dòng)展開

充氣驅(qū)動(dòng)具有質(zhì)量輕、空間利用率高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、零件少等優(yōu)點(diǎn)，但也存在充氣剛化一些固有的缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，多年來(lái)美國(guó)L’Garde公司和JPL等研究機(jī)構(gòu)一直在充氣剛化方面努力來(lái)增加充氣桿的展開剛度。充氣剛化存在多種方法，但每種剛化方法都有其限制條件。

1995年JPL的Tsuyuki等設(shè)計(jì)了充氣桿展開的局部柱面遮光罩。2011 年浙江大學(xué)徐彥等設(shè)計(jì)的充氣展開柱面遮光罩,如圖18(a)所示，包含5個(gè)充氣剛化鋁箔橫向充氣環(huán)和4根縱向充氣桿?？v向充氣桿在充氣剛化鋁箔內(nèi)部貼附4根鋼卷尺。用膠帶對(duì)鋁箔進(jìn)行密封，縱向桿的截面圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖18(b)。2014年北京空間機(jī)電研究所曹旭等設(shè)計(jì)的充氣展開薄膜遮光罩與徐彥等的設(shè)計(jì)相類似，每根縱向充氣桿用2根卷尺進(jìn)行加強(qiáng)。2017年西安電子科技大學(xué)杜敬利等設(shè)計(jì)的充氣展開薄膜遮光罩，除了用與文獻(xiàn)[39-40]相類似的橫向充氣環(huán)和縱向充氣桿外，還安裝了繩索和繩索控制模塊用于調(diào)整遮光罩方向,控制展開精度。

圖18 充氣驅(qū)動(dòng)展開柱面遮光罩Fig.18 Cylindrical sunshields deployed by inflation

在平面遮光罩充氣驅(qū)動(dòng)方面，JWST早期計(jì)劃用充氣剛化桿件實(shí)現(xiàn)展開，且ILC Dover公司還制作了縮比樣機(jī)，但后續(xù)進(jìn)展未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

充氣驅(qū)動(dòng)有望用于大尺寸薄膜遮光罩的展開，但目前的充氣剛化技術(shù)還不能很好滿足航天器薄膜遮光罩的工程需求，存在精度不高、需要額外能量、充氣剛化后剛度較低、展開過(guò)程不易控制等問(wèn)題。鋁箔在加工過(guò)程中易產(chǎn)生針眼型孔洞，可能造成氣體噴出改變航天器的方向。雖然充氣驅(qū)動(dòng)展開后的遮光罩可用繩索維持，但因遮光罩自身剛度較低，繩索控制能力也十分有限。

表2展示了幾種薄膜遮光罩展開驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比。

表2 不同展開驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)比較Table 2 Comparison of different deploying driving methods

3 可展開薄膜遮光罩薄膜折痕設(shè)計(jì)的發(fā)展

對(duì)于諸如MITAR正八棱柱柱面遮光罩、高分七號(hào)衛(wèi)星局部柱面遮光罩等展開長(zhǎng)度在1 m以內(nèi)的遮光罩，薄膜的面積相對(duì)較小，若選用面密度較大、厚度較大、拉伸強(qiáng)度較高的薄膜不會(huì)明顯增加遮光罩的體積和質(zhì)量。然而，對(duì)于諸如JWST平面遮光罩等長(zhǎng)度超過(guò)10 m的遮光罩來(lái)說(shuō)，薄膜材料面密度、厚度等參數(shù)的選擇就尤為重要。為減小遮光罩質(zhì)量和收攏體積，需盡可能選用較薄的遮光薄膜。同時(shí)需解決由此帶來(lái)的新的技術(shù)難題：

1)大面積多層薄膜折疊時(shí)薄膜間殘余氣體的排出問(wèn)題。該問(wèn)題直接影響遮光罩的收攏體積；

2)適應(yīng)厚度較薄的薄膜低拉伸強(qiáng)度的應(yīng)力集中規(guī)避問(wèn)題。該問(wèn)題直接影響薄膜展開張緊過(guò)程中撕裂損壞的可能性；

3)大面積薄膜遮光罩展開過(guò)程的薄膜防纏繞問(wèn)題。

這些技術(shù)問(wèn)題的解決都與薄膜折痕設(shè)計(jì)有關(guān)。

為將JWST平面遮光罩的薄膜收攏到前方支架和后方支架的托盤中，對(duì)薄膜采用Z字型對(duì)折方式收起，但沒(méi)有很好解決殘余氣體的排出問(wèn)題。

Starshade平面遮光罩應(yīng)用了flasher折法，其折痕和模型見(jiàn)圖19。該種折法包括沿徑向的一級(jí)折痕和一級(jí)折痕上引出的二級(jí)折痕。一級(jí)折痕能將遮光薄膜卷成空心柱體，二級(jí)折痕能減少這個(gè)柱體的高度。flasher折法中的折痕相對(duì)較短，從而縮短了遮光罩收攏時(shí)薄膜上任意一點(diǎn)距離外界的距離，有利于殘余氣體的排出。調(diào)整二級(jí)折痕的位置可控制薄膜折起后柱體的高度和半徑，具有一定的可設(shè)計(jì)性。但是當(dāng)薄膜面積較大時(shí)，展開過(guò)程中外側(cè)的框架需要提供較大的驅(qū)動(dòng)力，這使得折痕設(shè)計(jì)難度增加。

圖19 Flasher折法Fig.19 Flasher origami pattern

IXO棱柱柱面遮光罩?jǐn)M采用折紙技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)遮光薄膜的折痕。設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了Kresling折法、變角度Miura折法和Tachi-Miura折法，見(jiàn)圖20(a)和(b)。圖20給出的折痕圖中實(shí)線為峰線，虛線為谷線。2016年，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)Morgan等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)這3種折法進(jìn)行了比較。Tachi-Miura折法的橫截面形狀在展開過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，按該折法折疊的薄膜可能會(huì)與柱面內(nèi)的光學(xué)設(shè)備接觸。另外，展開后的柱面穩(wěn)定性較差。Kresling折法與變角度Miura折法相比，相同高度和半徑的柱面按照Kresling折法折起后高度更低、展收比更大。

圖20 Kresling、變角度Miura和Tachi-Miura折法Fig.20 Kresling, Miura and Tachi-Miura origami patterns

根據(jù)展收比的優(yōu)勢(shì)，IXO棱柱柱面遮光罩在3種折法中選擇了Kresling折法。但是該遮光罩在設(shè)計(jì)過(guò)程中并未涉及應(yīng)力分布、展開速度等問(wèn)題研究，因此Kresling折法是否是為柱面遮光薄膜的最佳折疊方法還有待于進(jìn)一步研究。

雖然折紙技術(shù)已經(jīng)在遮光罩領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但是這些應(yīng)用對(duì)折紙結(jié)構(gòu)的模擬主要集中在幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域，而薄膜應(yīng)力集中問(wèn)題、薄膜展開速度不均勻性問(wèn)題和多層薄膜層間殘余氣體排出問(wèn)題尚未得到深入研究，有可能成為未來(lái)遮光罩折痕設(shè)計(jì)的研究方向。折痕設(shè)計(jì)中單元的長(zhǎng)度、角度等參數(shù)對(duì)應(yīng)力分布有較大影響，因此將單元的參數(shù)作為輸入，將應(yīng)力集中情況、展開速度等遮光罩性能指標(biāo)作為輸出，求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，有望優(yōu)化遮光薄膜的折痕設(shè)計(jì)。

4 可展開薄膜遮光罩薄膜褶皺動(dòng)力學(xué)分析的發(fā)展

可展開薄膜遮光罩在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要計(jì)算薄膜的動(dòng)力學(xué)特征。但是，薄膜在外力作用下極易因局部屈曲而引起在薄膜的垂直面上的變形，進(jìn)而發(fā)展成褶皺。褶皺會(huì)改變薄膜上的應(yīng)力分布，對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生影響，并且降低薄膜的平面度，改變反射率、吸收率等參數(shù)，最終使遮光罩的遮光性能發(fā)生變化。因此，仿真求解褶皺狀態(tài)下薄膜的形狀和動(dòng)力學(xué)特征是可展開薄膜遮光罩設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題。目前對(duì)褶皺的分析主要有基于張力場(chǎng)理論的分析方法和基于屈曲理論的分析方法。

基于張力場(chǎng)理論的薄膜褶皺動(dòng)力學(xué)分析始于1961年Stein和Hedgepeth提出的預(yù)測(cè)局部褶皺薄膜應(yīng)力和應(yīng)變特征的早期理論。該理論通過(guò)在褶皺區(qū)域引入一個(gè)可變泊松比來(lái)修正薄膜褶皺區(qū)域的應(yīng)力關(guān)系，從而得到新的張力場(chǎng)。1964 年Mikulas用該理論分析了張緊薄膜承受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)的褶皺行為，發(fā)現(xiàn)可變泊松比理論計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際較相符，驗(yàn)證了該理論在特定場(chǎng)景下的正確性。但基于可變泊松比的方法需預(yù)先假設(shè)褶皺區(qū)域的位置，難以滿足工程需求。而且Hedgepeth的可變泊松比算法在材料泊松比滿足特定條件時(shí)會(huì)不收斂。

有限元法出現(xiàn)后，基于張力場(chǎng)的分析方法得到了進(jìn)一步發(fā)展。20 世紀(jì)80 年代，Miller等提出了模擬薄膜的有限元分析法，稱為迭代薄膜特性方法(IMP)，采用新的可變泊松比算法，并且將薄膜分為張緊區(qū)、松弛區(qū)和褶皺區(qū)，根據(jù)第一主應(yīng)變和第二主應(yīng)變的正負(fù)性來(lái)判斷區(qū)域是否發(fā)生褶皺或松弛并代入可變泊松比，然后重新計(jì)算張力場(chǎng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代得到薄膜的動(dòng)力學(xué)特征。2001年，Adler在Miller工作的基礎(chǔ)上，將IMP方法嵌入了ABAQUS。用該方法求解褶皺比較準(zhǔn)確，已成為薄膜模擬中常用的方法之一。例如，基于IMP方法計(jì)算得到的JWST遮光罩薄膜的模態(tài)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果誤差在5% 以內(nèi)。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在較多松弛區(qū)域時(shí)，該模型的收斂性較差。

2019年，復(fù)旦大學(xué)Wang等證明了當(dāng)泊松比極小時(shí)褶皺無(wú)法形成，與IMP方法計(jì)算結(jié)果矛盾，說(shuō)明IMP方法不適用于泊松比極小的情況。

基于張力場(chǎng)理論能夠劃分出褶皺區(qū)域，但無(wú)法得到褶皺的波長(zhǎng)和幅值等具體的形狀特征，進(jìn)而妨礙了對(duì)遮光罩遮光性能的分析。為了求解褶皺的形狀，在仿真分析時(shí)需考慮薄膜微小的彎曲剛度，將薄膜的褶皺行為處理為薄殼的屈曲行為，從而根據(jù)屈曲理論分析薄膜的動(dòng)力學(xué)特征。尤其對(duì)于航天常用的聚酰亞胺薄膜來(lái)說(shuō)，其彎曲剛度相對(duì)較大，適宜采用薄殼分析模型。屈曲理論需要在薄膜平面上引入幾何缺陷，然后使表面受力平衡，此時(shí)幾何缺陷會(huì)延伸成為褶皺。幾何缺陷的位置和實(shí)際發(fā)生褶皺的位置越接近，模擬的真實(shí)性越好。

2002—2003年，英國(guó)劍橋大學(xué)Wong和Pellegrino提出了非線性屈曲分析方法。該方法首先求解受力薄膜剛度矩陣的特征值和特征向量，得到薄膜的屈曲模態(tài)，隨后將屈曲模態(tài)作為幾何缺陷引入初始表面，表面穩(wěn)定后可以得到薄膜的褶皺形狀。這種方法需要根據(jù)受力狀態(tài)求解剛度矩陣，當(dāng)受力狀態(tài)和薄膜形狀比較復(fù)雜時(shí)計(jì)算難度較大。為了突破這一限制，需用其他方法引入幾何缺陷。2003年，美國(guó)肯塔基大學(xué)Leifer在薄膜平面上施加一系列與膜垂直的等大反向、作用點(diǎn)不同的力，得到零合力下薄膜的幾何缺陷狀態(tài)。2004年，美國(guó)NASA蘭利研究中心Tessler在平面上施加隨機(jī)的面外位移來(lái)引入幾何缺陷。根據(jù)Wong和Pellegrino的仿真和實(shí)驗(yàn)，對(duì)于在每個(gè)角施加相同載荷的方形薄膜，受力狀態(tài)較簡(jiǎn)單，可求得受力薄膜剛度矩陣的特征值和特征向量，基于特征向量引入幾何缺陷的方法模擬精度高于其他兩種方法。

2000—2003年，美國(guó)霍夫公司的Liu等試圖結(jié)合張力場(chǎng)理論與屈曲理論，提出了薄膜仿真的兩步分析方法。該方法首先根據(jù)張力場(chǎng)理論預(yù)測(cè)褶皺區(qū)域的范圍和應(yīng)力分布，然后應(yīng)用非線性屈曲分析法中求解屈曲模態(tài)的步驟來(lái)確定褶皺的數(shù)量，用非線性屈曲分析法得到的褶皺波長(zhǎng)和幅值與應(yīng)力的關(guān)系最終得到褶皺的形狀。這種方法避免了非線性屈曲分析法中引入幾何缺陷的步驟，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，兩步分法能夠準(zhǔn)確地模擬正方形膜受到特定拉伸和剪切時(shí)的情況。然而，Liu的兩步分析法無(wú)法避開求解剛度矩陣的步驟，因此同樣面臨和非線性屈曲分析法一樣的局限性，不適用于較復(fù)雜的薄膜形狀和受力狀態(tài)。

2017年，日本鳥取大學(xué)Iwasa提出了在張力場(chǎng)理論基礎(chǔ)上根據(jù)屈曲理論直接計(jì)算褶皺波長(zhǎng)和幅值的方法，但它只能適用于特定應(yīng)力分布的薄膜。

目前對(duì)薄膜遮光罩的工程實(shí)踐來(lái)說(shuō)，基于張力場(chǎng)理論的分析方法已經(jīng)能夠比較精確地得到薄膜的動(dòng)力學(xué)特性和褶皺區(qū)域等特征。但是，為了求解褶皺的形狀，必須采用基于屈曲理論的分析法，而現(xiàn)有基于屈曲理論的分析法往往有較多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，這些方法存在較大的局限性。

5 航天器可展開薄膜遮光罩機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，航天器可展開薄膜遮光罩機(jī)械設(shè)計(jì)具有如下發(fā)展趨勢(shì)。

1) 柱面遮光罩適用于和太陽(yáng)相對(duì)位置經(jīng)常改變的航天器。技術(shù)較成熟，應(yīng)用較多。雖局部柱面遮光罩能有效減少特定方向的雜散光，但需轉(zhuǎn)動(dòng)遮光罩或航天器，系統(tǒng)復(fù)雜、能耗較大。未來(lái)柱面遮光罩的發(fā)展方向是具有擋光環(huán)的完整柱面遮光罩。

2) 平面遮光罩適用于和太陽(yáng)相對(duì)位置不變的航天器，尤其適用于太空望遠(yuǎn)鏡。大尺寸、大展收比的平面遮光罩是需進(jìn)一步研究的一個(gè)發(fā)展方向。

3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)展開是當(dāng)前大尺寸遮光罩(> 5 m)的主流發(fā)展方向；彈性自驅(qū)動(dòng)展開適合較小尺寸遮光罩(< 5 m)；充氣驅(qū)動(dòng)是有潛力應(yīng)用于大尺寸遮光罩展開的驅(qū)動(dòng)方式，隨著充氣剛化技術(shù)的逐步成熟，它將成為未來(lái)新的研究熱點(diǎn)。

4) flasher折法和Kresling折法分別是目前平面遮光罩和柱面遮光罩薄膜折疊的主流方法。期待有更好的柱面遮光罩薄膜折疊方法應(yīng)用于工程。薄膜應(yīng)力集中問(wèn)題、薄膜展開速度不均勻性問(wèn)題有待深入研究，有可能成為折痕設(shè)計(jì)的研究方向。

5) 基于張力場(chǎng)理論的薄膜褶皺分析方法是工程中比較精確的主流分析方法；求解褶皺形狀所用的基于屈曲理論的薄膜褶皺分析方法還需深入研究，使其更加接近實(shí)際而不過(guò)分依賴簡(jiǎn)化和假設(shè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于國(guó)內(nèi)外航天器可展開薄膜遮光罩的幾何構(gòu)型、展開驅(qū)動(dòng)技術(shù)、薄膜折痕設(shè)計(jì)和薄膜褶皺動(dòng)力學(xué)分析四個(gè)方面的發(fā)展，指出了不同幾何構(gòu)型遮光罩的適用場(chǎng)合，對(duì)可展開薄膜遮光罩機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，提出了需要深入研究的關(guān)鍵技術(shù)，為航天器可展開薄膜遮光罩的研究提供參考。