2.2.1 太阳帆静力学分析
一般太阳帆主要结构包括1个中心箱体、4根伸展臂、4片等腰直角三角形帆面，如图2-7所示。伸展臂为充气式伸展臂；帆面和伸展臂靠近中心端与中心箱体连接；帆面与伸展臂之间仅在帆面45°角点与伸展臂最远端存在连接关系。
图2-7 太阳帆结构图
太阳帆的结构尺寸、组成方式、材料选用等属性决定了太阳帆整体为大挠性结构，在太阳帆姿态调整时，太阳帆整体结构的挠性振动会与太阳帆姿态运动相互耦合而表现出不同于刚体姿态运动时的动力学特性，因此必须计算作为挠性附件的太阳帆整体结构耦合系数，并且在姿态动力学方程中予以考虑。
1.太阳帆有限元建模描述
对于太阳帆伸展臂结构，考虑其同时承受轴向拉压载荷与横向弯曲载荷，所以采用梁单元；对于帆面结构，采用膜单元模拟；对于帆面与伸展臂联结点，采用RBE2单元进行模拟，即帆面45°角点的XYZ三个方向平动自由度都与伸展臂端点保持一致；安装于伸展臂端部的RSB结构质量为2 kg，用质量点单元进行模拟，位于伸展臂端点处。太阳帆有限元模型如图2-8所示。有限元模型共有：489个节点（图2-9）、44个梁单元、4个质量点单元、728个膜单元、12个多点约束单元。太阳帆模型物理参数如表2-1所示。
图2-8 有限元模型（书后附彩插）
图2-9 有限元模型节点编号（书后附彩插）
表2-1 模型物理参数
2.太阳帆有限元模型边界条件
由于伸展臂、帆面作为挠性体对于结构模态特性起到决定性作用，所以将模型中心节点看作固定不动结构，将其6个自由度完全约束。
为了使帆面达到张紧状态具备预紧力，在伸展臂四个端点加载强制位移0.001 287 7 m，从而使得帆面大部分应力为6 500 Pa，对此边界条件单独进行非线性大变形静力仿真，应力云图如图2-10所示。太阳光压为9.12×10-6 Pa，施加在太阳帆表面。
图2-10 应力云图（书后附彩插）
3.静力分析结果（图2-11）
图2-11 静力分析（书后附彩插）
（a）位移云图
图2-11 静力分析（书后附彩插）（续）
（b）最大位移云图；（c）应力云图
最大变形位移值为：0.682 m，发生在帆面斜边中点。最大应力为0.308 MPa，发生在帆面45°角点处。根据柔性航天器中心刚体加挠性附件耦合系数计算理论模型，将太阳帆整体结构作为挠性附件，将装载太阳帆的飞行器作为中心刚体。
将太阳帆航天器作为柔性航天器中心刚体加挠性附件模型的前提是挠性附件变形很小，即属于小挠性体范围。根据对结构挠性的经典定义：当α＜0.000 1时，结构为刚性体；当0.000 1＜α＜0.05时，结构为小挠性体；当α＞0.05时，结构是大挠性体（其中，α为结构挠性系数，其值为结构最大弹性变形与结构最大特征长度的比值）。通过静力分析得知：结构最大弹性变形为0.682 m，则α为0.004 26，位于0.05与0.000 1之间，可见太阳帆航天器可以视为柔性航天器中心刚体加挠性附件模型来进行耦合系数计算。