引言

? ? ? ?隨著航空航天技術的飛速發展，輕型空間結構如太陽帆和充氣通信天線等新型設計逐漸成為研究熱點。這些結構不僅要求具備輕量化、高可靠性的特點，還需在極端環境如真空條件下保持穩定的工作性能。因此，對這類結構進行精確的動態測試顯得尤為重要。本文將以太陽帆為例，詳細介紹如何在真空環境中利用激光測振技術進行模態測試，為同類輕型結構的測試提供科學依據。

太陽帆結構及其測試挑戰

? ? ? ?太陽帆作為一種獨特的航天推進方式，依賴太陽光的光壓產生推力，因此要求具備超大的表面積、極輕的質量以及近乎完美的反射面。然而，這些特性也給地面測試帶來了巨大挑戰，特別是當太陽帆需要在真空環境中進行測試時。具體挑戰包括：太陽帆表面積大且厚度極薄，易受空氣影響，以及模態測試時測量點密度高，需要精細的測試技術。

激光測振技術的選擇與應用

? ? ? ?為了克服上述挑戰，本文采用了Polytec掃描式激光測振儀作為測試工具。該儀器能夠在真空環境中穩定工作，且具備高精度和非接觸式的測量特點，非常適合用于太陽帆的模態測試。

1. 測試環境準備：

• 真空室：測試在真空室內進行，以模擬太空環境。真空室的設計需確保能夠容納太陽帆及其支撐結構，同時保持穩定的真空度。

  
  

• 激光測振儀布置：激光測振儀被置于一密封加壓罐內，以保護其不受真空環境影響。激光從加壓罐的窗口射出，通過掃描反射鏡系統（SMS）對太陽帆進行全場模態測試。

2. 測試系統配置：

• SMS系統：SMS系統安裝在真空室頂部，負責將激光束導向太陽帆上的被測點。系統包括靜態反射鏡和兩個正交的動態反射鏡，能夠實現激光束的精確控制和定位。

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• 自動化測試軟件：采用專門開發的目標跟蹤算法，激光束在測量每個待測點前均進行自動聚焦操作，以保證測試信號的質量。整個測試過程包括初始校準、目標跟蹤處理以及數據采集和存儲，均由系統自動完成。

3. 激勵方法與測量點布置：

• 激勵方法：在太陽帆支撐桿的各端部安裝電磁鐵，通過控制電磁鐵的通斷電來實現對太陽帆的激勵。電磁鐵被安裝在帶有線性驅動器的垂直位移臺上，以便精確定位。

• 測量點布置：為節省測試時間，在太陽帆每四分之一象限內定義5個測量點，每個支撐桿的端部定義2個測量點。這種布置方式既保證了測試效率，又能夠準確反映太陽帆的模態特性。

測試結果與分析

通過激光測振技術的應用，成功獲取了太陽帆在真空環境中的模態數據。主要測試結果包括：

1. 主模態：在0.5Hz處，太陽帆系統的主模態振型為所有象限進行同相擺動。在這階模態下，所有的支撐桿圍繞著軸線進行螺旋式運動。這一結果揭示了太陽帆在低頻振動下的整體響應特性。

2. 一階模態：在0.69Hz處，支撐桿參與一階太陽帆薄膜的模態運動，振型為呼吸模態。在該模態下，太陽帆四分之一象限的支撐桿圍繞自身軸線承受一階彎曲。這一發現對于理解太陽帆薄膜的振動特性具有重要意義。

3. 高階模態：通過分析太陽帆的其他高階模態，發現四分之一象限內的支撐桿振型主要為一階彎曲，但中軸則表現出二階或三階彎曲振型。這些測試結果對于結構分析及優化至關重要，為太陽帆的設計和改進提供了有力支持。

結論與展望

? ? ? ?本文介紹了在真空環境中利用激光測振技術進行太陽帆模態測試的方法和應用。通過精確的系統配置和自動化測試軟件，成功獲取了太陽帆的模態數據，為同類輕型結構的測試提供了科學依據。未來，該方法可進一步應用于其他輕型結構的測試，如充氣通信天線等，為航空航天領域的技術開發提供有力支持。

致謝

感謝ATK公司、SRS科技和NASA蘭利研究中心組成的工作小組在本項目中的合作與支持。特別感謝NASA航天推進辦公室（ISP）的指導與資助，使得本項目得以順利實施并取得豐碩成果。