天问二号运抵发射场！浅析航天探测器太阳翼帆板驱动Abaqus仿真

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导读：国家航天局 2 月 20 日通报，中国行星探测工程天问二号任务探测器已运抵西昌卫星发射中心，计划于 2025 年上半年实施发射。天问二号核心目标是小行星 2016HO3 与主带彗星 311P，将首次测试触碰式与附着式采样技术，并为 2030 年前后的天问三号火星采样返回积累关键经验。

天问二号探测器资料图

太阳翼帆板驱动机构是航天器中用于控制太阳翼帆板角度和姿态的核心部件。太阳翼帆板通常装载太阳能电池板，用于为航天器提供能源，而太阳翼帆板的转动控制直接影响到航天器的能量获取与姿态调整。在航天器的空间环境中，太阳翼帆板的转动必须精确调控，以最大限度地接收太阳辐射，从而提高太阳能转换效率并保障航天器的稳定运行。

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一、太阳翼帆板转动的驱动机构设计原理

太阳翼帆板驱动机构的设计需要满足多个要求，包括高精度、可靠性和耐用性，特别是在严苛的太空环境中。设计原理通常包括以下几个方面：

1、动力源选择与转换

（1）电动机驱动：最常见的动力源是电动机，特别是直流电动机或步进电动机。电动机可以精确控制角度和速度，通过减速器调整传动比。

（2）电动机与控制系统集成：电动机与航天器的姿态控制系统集成，依据航天器的姿态反馈信号调整太阳翼帆板的角度。

2、结构设计

（1）轻量化设计：航天器的重量需要严格控制，因此驱动机构采用轻质材料（如铝合金、钛合金等）和高强度结构，确保驱动系统具有足够的强度同时减轻重量。

（2）高效传动系统：通常使用齿轮、轴承、减速器等机械传动系统，将电动机的旋转动作转化为太阳翼帆板的角度调整。

3、可靠性与冗余设计

（1）冗余设计：在关键部件上，采用冗余设计，以防止单点故障导致系统失效。例如，采用双重电机驱动系统，或者设计两个独立的齿轮箱，确保即使一个系统发生故障，另一个系统仍然能够工作。

（2）耐久性与无维护性：由于太空环境无法进行常规维护，驱动机构必须具有极高的耐久性和长期无故障工作能力。所有部件都需要进行严格的疲劳与老化测试。

4、控制算法与反馈机制

（1）姿态反馈控制：通过太阳传感器、陀螺仪等设备获取太阳翼帆板当前角度与航天器的姿态信息，实时调整驱动机构的转动以优化太阳能采集。

（2）自动控制系统：驱动机构通常与航天器的自动控制系统紧密结合，通过执行控制算法进行实时调整，实现太阳翼帆板的精确指向。

二、太阳翼帆板转动的驱动机构的工程应用

太阳翼帆板转动的驱动机构广泛应用于各种航天器的设计中，特别是在深空探测、卫星通信、空间站等领域。具体的工程应用可以从以下几个方面进行分析：

1、深空探测任务

在深空探测任务中，太阳翼帆板必须持续工作多年，驱动机构面临极其苛刻的工作环境。以NASA的“好奇号”火星车为例，其太阳翼帆板的驱动机构能够根据太阳的相对位置调整帆板角度，保证太阳能最大化利用。该驱动机构采用了电动机和减速器系统，结合反馈控制机制，确保太阳翼的精确指向。

2、低地轨道卫星与空间站

对于低地轨道卫星，太阳翼帆板的转动机构需要应对较频繁的轨道调整和姿态变化。例如，国际空间站（ISS）上的太阳翼帆板配备了多个驱动系统，通过电动机和减速器调整帆板角度，确保太阳能的高效利用。这些驱动系统采用冗余设计，防止单点故障。

3、卫星发射与组装

卫星在发射和组装过程中，太阳翼帆板通常是折叠状态。在进入预定轨道后，驱动机构会将折叠的太阳翼帆板展开，并调整角度以确保最佳太阳能接收。例如，通信卫星常用的太阳翼帆板展开驱动机构，需要确保在各种高压、低温、辐射等极端条件下可靠工作。

4、航天器自主调整与故障恢复

太阳翼帆板驱动机构也在航天器的故障恢复和自主调整中发挥重要作用。例如，如果航天器在运行过程中遭遇太阳辐射强度变化，驱动机构会根据太阳辐射的变化自动调整太阳翼帆板的角度，以保证能源供应的稳定性。

三、航天探测器驱动机构仿真分析公开课

太阳翼帆板驱动机构作为航天器的核心组成部分，其设计与应用直接关系到航天任务的成功。通过高效的动力源、精确的控制系统和可靠的机械传动设计，太阳翼帆板驱动机构能够应对太空环境中的种种挑战，确保太阳能的最大化利用和航天器的长久稳定运行。随着航天技术的进步，未来的太阳翼帆板驱动机构将在精度、效率和智能化控制方面进一步优化，支持更多深空探测任务的成功实施。

2月27日20时，仿真秀将邀请优秀讲师——力学之ABAQUS老师做《高校硕博士如何储备设计仿真能力——以航天探测器驱动机构仿真分析为例》线上讲座，为硕博士储备设计仿真能力提供宝贵的经验和建议，并讲解探测器中控制太阳翼帆板转动的驱动机构仿真分析。欢迎读者用户报名和分享。

本期直播旨在介绍探测器太阳翼帆板驱动机构的工作原理与仿真方法，重点围绕 Abaqus 仿真工具展开。课程阐述了太阳翼帆板在探测器中的作用及相关学术背景，通过探讨太空任务中的应用实例说明其重要性与技术挑战。

在内容上，先讲解太阳翼帆板基本结构、功能以及驱动机构作用、常见驱动类型。接着深入动力学建模与仿真，包括 Abaqus 建模方法、动力学分析、加载与边界条件设置。随后介绍仿真过程，涵盖有限元分析原理、Abaqus 仿真流程（前处理、求解、后处理）及动力学与结构分析结合。还涉及仿真结果分析、驱动机构优化设计以及多物理场耦合分析。最后通过案例分析展示实际应用，并安排学员基于给定模型与任务进行仿真操作、结果优化及报告撰写。

1、以下是直播安排：

2025科研创新仿真（三）：高校硕博士如何储备设计仿真能力-仿真秀直播

2、关于作者

本次活动的嘉宾是一位来自顶尖学府（985高校）的博士，专注于结构力学与有限元分析领域，特别是在Abaqus计算分析方面拥有深厚的技术积累和丰富的实践经验。嘉宾长期从事Abaqus软件的应用研究，擅长通过该平台对复杂结构、材料行为及动力学问题进行精准建模和仿真分析。在多个科研项目中，嘉宾通过Abaqus的强大功能，成功解决了多个工程难题，尤其是在结构优化、疲劳分析以及多物理场耦合分析方面取得了显著成果。此外，嘉宾还在相关领域的学术期刊上发表了多篇高水平论文，并在国内外多个学术会议上进行过专题报告和技术交流，深受同行认可。以下是作者在仿真秀创作了多套视频课程如下：

（1）工程类专业和结构仿真必修课结构动力学13讲