天津大学提出突破模块化天线无干涉展开关键技术，破解大型太空结构精准拼接难题

如何让模块化卫星天线在太空中分毫不差地无干涉展开？这曾是困扰航天工程师数十年的“几何锁死”难题。想象一下，当数十个相同模块拼接成曲面天线时，细微的误差便会相互挤压，导致整个结构卡死。

天津大学何柏岩与聂锐老师团队的创新性研究成果《Spatial geometric modelling and tessellation for modular hexagonal frustum deployable mechanism》发表于机械与航空航天领域顶刊《Mechanism and Machine Theory》，提出了一种解决模块化六棱台可展开机构在半球面拼接中几何干涉问题的新方法。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2025.106059 

该方法通过将肋角作为变量，实现了单个模块运动学建模与多模块间的运动相容性拼接，并优化了模块布局以提升面积利用率。实验通过FZMotion动捕系统对展开过程中关键点的运动轨迹进行测量，进而验证几何建模与运动学分析的准确性。结果表明，肋角能够根据机构的运动兼容性要求进行自适应调整，并且所测量的肋角变化与计算结果相符。

构建了一套从理论到实践的完整设计方法，具体体现在：

1. 提出了从根本上解决几何冲突的运动兼容性建模理论

通过将肋角设为变量并建立闭环矢量方程，首次实现了多模块在全程展开中的运动学兼容，从理论上杜绝了几何干涉。该理论的有效性已通过基于FZMotion动捕系统的原型实验得到了精确验证。

2. 建立了高面积利用率的模块化拼接设计体系

创新性地提出了单/双中心模块两种拼接模式，以面积利用率最大为标准进行优化选，赋予设计应对不同尺寸需求的强大灵活性

3. 完成了从理论到验证的完整技术闭环

通过设计可变肋角铰链原型并利用高精度运动捕捉进行实验，验证了理论的正确性，同时也展示出了其工程可行性。

为验证上述理论与设计方法的正确性与可行性，本研究设计并实施了系统的实验验证方案，其核心在于利用高精度FZMotion运动捕捉系统，对展开过程进行定量化测量与比对。

具体实验设计如下：

1) 原型设计与制备

基于理论计算出的可变肋角参数，我们设计并制造了可实现自适应调整的中心铰链，并构建了一个由三个模块组成的缩比原理样机。该样机构成了存在几何冲突的最小闭环单元，是验证运动相容性的最关键测试平台。

2) 动捕系统搭建与数据采集

在样机周围布置架设多个FZMotion动捕系统机，构建一个高精度的三维测量场。

在机构的关键节点（如模块连接点、肋杆端点）粘贴反光标记点，然后驱动样机完成从折叠到完全展开的全过程，并同步记录所有标记点的三维空间运动轨迹。

3) 数据比对与验证

将动捕系统测得的实际运动轨迹，与基于空间几何模型计算出的理论运动轨迹进行精确比对。

由于缩比样机的肋角变化微小、难以直接测量，我们将其转换为关键点之间的等效位移变化进行对比。

最终得出实验数据与理论计算结果高度吻合（如下图所示），实验数据充分验证了运动兼容性建模理论与拼接设计方法的准确性，并充分证明了所提出方法能够有效解决几何冲突问题，具备良好的工程可实现性。

研究团队依托“机构理论与装备设计”教育部重点实验室、“复杂装备机构理论与设计技术”教育部创新团队、基金委“高端装备机构理论与技术基础”创新研究群体等平台形成航天装备设计特色研究方向，在空间可展结构设计与分析多体系统动力学、机构与结构创新设计等方面成果突出。实验室现有 FZMotion光学运动捕捉系统、UTM6104系列微机控制电子万能试验机、进口B&K系列动态测试与分析仪器、航天异构铰链动静刚度测试系统、2m口径环形网状天线缩比模型、模块化网状天线缩比模型、多点分布式主动重力卸载系统等可展结构相关测试与实验平台。2020 年与航天五院共建了“空间机械与热物理技术联合实验室”。