航天器上的抛物柱面天线展开时“慢半拍”或“不同步”，可能导致通信中断甚至任务失败。传统驱动系统依赖电机和复杂传动，不仅笨重（占天线重量30%以上），还难保证多方向同步展开。近日，我国西安电子科技大学李团结教授团队在《Frontiers in Mechanical Engineering》发表研究，受折纸艺术启发，研发出“螺旋弹簧+薄壳铰链”弹性驱动系统，让单层桁架天线横向、纵向展开时间差小于0.2秒，折叠体积缩小11倍，重量比传统设计轻15%，破解了航天器大型天线“展开难、装不下”的核心难题。

传统驱动的“老大难”：电机又重又“慢热”

抛物柱面天线是航天器的“通信枢纽”，需像“变形金刚”一样在太空中从折叠状态展开成曲面。但传统驱动系统“不给力”：用电机驱动齿轮传动，不仅增加重量（10米级天线驱动系统超60公斤），还存在“同步差”——横向展开快、纵向展开慢，导致反射面线缆缠绕、结构变形。

“就像两人抬桌子，步调不一就会歪。”团队解释，航天器对天线展开精度要求严苛：展收比（展开/折叠尺寸比）需超10，同步时间差要小于0.5秒，传统电机驱动很难兼顾。例如某型号铰链肋天线，展收比仅13.95，但面密度达1.12 kg/m²，远超新一代航天器0.8 kg/m²的指标。

折纸启发的“弹性密码”：螺旋弹簧+薄壳铰链双驱动

团队从折纸“折痕蓄力”中找灵感：能否用弹性元件替代电机，让天线靠“自身弹力”展开？他们设计出两套弹性驱动组件：

横向驱动：螺旋弹簧当“扭矩引擎”
在横向桁架的齿轮副处安装螺旋弹簧，像“上紧的发条”储存弹性势能。弹簧内圈固定在传动轴，外圈固定在支撑框架，展开时释放扭矩，带动齿轮同步转动。关键创新是通过“平行四边形辅助连杆”防转动——在垂直纸面方向加一层与主连杆等长的辅助杆，组成平行四边形机构，避免铰链随连杆“跑偏”，就像给铰链装了“防转护栏”。

纵向驱动：薄壳铰链像“卷尺”自动伸展
纵向桁架用薄壳铰链（tape spring）驱动，这种铰链像“金属卷尺”，折叠时弯曲储存势能，展开时自动弹直。团队将铰链设计成“折叠杆”结构，两端连接横向桁架的支撑框架，展开时通过铰链弹力带动纵向桁架伸展，与横向运动完全解耦（互不干扰），就像抽屉和柜门各自开关。

仿真优化“调参数”：0.2秒同步的背后

弹性驱动的核心是“力道匹配”——横向弹簧和纵向铰链的弹力需精准调控，否则会出现“一快一慢”。团队用MATLAB和Abaqus联合仿真，建立“参数-时间”优化模型：

1. 建模仿真：在Abaqus中构建横向、纵向桁架的有限元模型，输入螺旋弹簧（半径12mm、宽度8mm、厚度1.2mm）和薄壳铰链（厚度1.2mm、角度130°）的初始参数，模拟展开过程。
2. 迭代优化：将仿真得到的横向（1.8秒）、纵向（1.5秒）展开时间导入MATLAB，通过算法调整弹簧厚度（螺旋弹簧从1.2mm增至1.52mm，薄壳铰链从1.2mm减至1.01mm），再将新参数传回Abaqus重算，反复迭代12次，最终实现横向1.64秒、纵向1.65秒展开，时间差仅0.01秒。

原型机测试：折叠直径0.71米，能塞进火箭整流罩

基于这套驱动系统，团队造出8米×8米原型机，关键性能“爆表”：

• 同步精度：横向、纵向展开时间差0.01秒（仿真），原型机测试中因弹簧制造误差略有增加，但仍小于0.2秒（横向1.20秒，纵向1.80秒）；
• 轻量化：驱动系统仅重8.3公斤，比电机驱动轻40%，天线总重56.6公斤，面密度0.88 kg/m²；
• 折叠能力：折叠后直径0.71米，展收比11.27，能轻松装入长征五号火箭整流罩（直径5.2米）。

“弹性驱动就像给天线装了‘智能肌肉’，无需电机即可自主展开。”团队表示，该技术已申请发明专利，未来可用于载人登月、火星探测的大型通信天线，甚至太空望远镜的主反射面。

来源: FME机械工程前沿