MSC.Partran/Nastran微纳卫星结构有限元仿真分析(2)
结 论 19
致 谢 20
参考文献21
1 绪论
1.1 微纳卫星研究背景及现状
1.1.1 微纳卫星的由来
微纳卫星（CubeSat）又称立方体纳卫星，1999年，美国加州理工州立大学（Cal Poly University）与斯坦福大学(Stanford University)提出了这个概念，来帮助全球的高校进入空间科学和探索的领域。CubeSat的标准外形为10cm×10cm×10cm的立方体，称之为1U[1]，质量1～2kg，输出功率相当于普通手机。根据任务的需要，也可将CubeSat扩展为双单元（2U）或者三单元（3U）因其体积小、重量轻、成本低、功能扩展性强等优点，发展速度十分迅猛,全球至少有60所大学和研究院所参与Cubesat卫星技术的研究，包括加拿大、日本、丹麦、荷兰、英国、瑞士和美国等。目前大约有近100颗微纳卫星已发射入轨。微纳卫星虽然体积小，但大卫星需要的系统它身上也都有，包括星务管理、通信、电源、姿态确定与控制、结构热控、载荷等。不同的卫星任务决定了星上载荷的不同，从而对其他分系统的要求也不同，会根据具体的情况进行不同的设计。由于CubeSat一般飞行在较低的轨道上，设计和制造过程中大量采用商用元器件取代昂贵的航天级器件，有些甚至利用廉价的手机主板进行改造，使得卫星的成本大大降低，便宜的微纳卫星建造成本只需几十万人民币，仅为传统小卫星的百分之一，大大降低了卫星开发的门槛。
1.1.2 微纳卫星的研究背景
1.2 课题背景
2010年11月25日，比利时冯卡门流体力学研究所(Von Karman Institute for Fluid Dynamics)与荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology）、英国萨瑞大学空间中心（Surrey Space Center-Univ.of Surrey）、瑞士洛桑理工学院空间中心（Space Center EPFL）、德国莱布尼兹大气物理学研究所（Leibniz Institute of Atmospheric Physics）、斯坦福大学（Stanford University）等知名研究机构于2010年11月共同向欧洲委员会下属第七框架协议提交了QB50项目的相关方案[4]。2011年7月该项目正式启动。QB50项目号召世界各地大学、机构各自研制总共50颗立方星进行组网，其中的40颗双单元立方星用于低热层大气探测，尺寸约10cm×10cm×20cm，包括平台单元和载荷单元。平台单元实现卫星平台功能，包括姿态确定与控制、电源、通信、数据综合、结构和热控，实现飞行任务所需要的三轴稳定控制，载荷数据采集，遥测数据采集，通信上下行等。载荷单元装载低热层探测所需的各类传感器，由QB50项目组选定，包括氧探测器FIPEX、多针朗缪尔探针、离子质谱仪、中子质谱仪、激光反射器和温度传感器。另外的10颗二单元或三单元立方星将进行在轨演示验证和卫星再入大气层试验。在轨演示验证的技术包括：2U/3U模块化分离机构在轨测试、太阳帆技术、大气层再入技术、利用阻力帆和电动缆绳使卫星变轨并坠落技术等。所有50颗CubeSat计划由中国的长征运载火箭于2015年4在我国境内发射，卫星进入圆轨道，初始高度350km，倾角98°。
我国许多高校也在积极倡导发展微纳卫星技术，2012年国内的7所高校，包括南京理工大学参与了由比利时VKI牵头的欧盟QB50项目，旨在研制和发射自己的微纳卫星。南京理工大学负责研制一颗双单元微纳卫星NJUST-1，除了完成低热层大气在轨探测任务外，还将在轨验证星间组网和通信技术，验证自研的微纳部组件以及卫星总体技术。
1.3 结构分析技术发展现状
微纳卫星结构分析主要为结构的力学分析，其目的是分析卫星结构的力学特征（如结构刚度、结构模态、结构临界载荷等）以及在已知载荷条件下的结构响应（如应力、变形、加速度等）。结构分析有三种分析方法：能量法、力法、位移法[5]，而位移法后来衍生出矩阵位移法，由矩阵位移法后来发展出有限元法并成为结构分析中最重要的方法。结构力学、振动理论和有限元法是微纳卫星结构分析的重要原理，其中基于有限元原理的数值法是目前微纳卫星结构分析的主要方法。