5.2.1 帆面不同折叠方式展开试验
1.试验内容
试验通过对采用不同折叠方式单个帆面的展开效果分析，选择最合适的展开方式，试验内容如下：
（1）验证叶内、叶外和斜叶外三种折叠方式能否顺利展开，并观察其展开形态；
（2）在帆面选择几个点，通过摄影记录，绘制帆面展开过程中选择点位置随时间变化曲线，描述帆面的展开规律；
（3）相同条件下，记录不同折叠方式展开时间，对三种折叠方式进行比较。
2.试验方法
1）试验对象
选用一块厚度为12.5 μm、单面镀铝的聚酰亚胺薄膜，帆面薄膜形状为等腰直角三角形，直角边长为5.6 m，分别采用叶内、叶外及斜叶外三种方式折叠，进行帆面薄膜的折叠展开试验。
2）试验设备
利用搭建的8 m×8 m试验平台进行展开试验，如图5-42所示。在做帆面展开试验前，先将支撑臂挪开，在支撑臂的位置安装限位导向机构，使得帆面的45°角点运动方向能够限制在支撑臂伸展方向上，实现帆面的展开。
图5-42 帆面折叠展开试验设备
通过上述对试验设备的改进，使得帆面的展开不依赖于支撑臂，排除了支撑臂可能对帆面展开过程造成的影响，便于进行帆面折叠展开方式的比较分析。
3）试验流程
•帆面折叠
厚度为12.5 μm的聚酰亚胺帆面薄膜分别采用叶内、叶外及斜叶外方式进行帆面初步折叠，折叠宽度为25 cm，折叠后的帆面呈长条状，三种折叠方式的示意图及帆面初步折叠过程如图5-43所示。
图5-43 帆面薄膜折叠方式
（a）叶外折叠；（b）叶内折叠；（c）斜叶外折叠
•帆面固定与收拢
将初步折叠后帆面的90°角点与帆面卷轴固定连接，长条状帆面沿顺时针方向将帆面缠绕于卷轴上，实现帆面的固定与收拢，如图5-44所示。
图5-44 帆面的固定与收拢
•帆面加载及数据记录
如图5-44所示，收拢后帆面的两个45°角点位于最外侧，将帆面45°角点连接至试验平台导向机构上，使其运动方向沿帆面支撑臂的展开方向，并在帆面45°角点上施加恒定载荷，用来实现帆面展开，恒定载荷通过悬挂一定质量砝码实现。
通过前期试验探索，选择悬挂砝码质量分别为2.5 kg、2.0 kg、1.7 kg、1.5 kg和1.0 kg，一方面比较每种折叠方式在不同载荷下的展开特性，另一方面对比相同载荷下不同折叠方式的展开特性。
为了更好地研究帆面展开规律，在帆面的展开方向上对称标记5个点，点的位置如图5-45所示，施加载荷后的帆面45°角点对齐点1，帆面在载荷作用下由点1处释放展开。通过摄影记录帆面两个45°角点分别到达点2、3、4时的时间，由于摄录限制，无法记录到达点5的时间，因此仅记录上述3个点，两个45°角点记录的数据取平均值。
图5-45 试验标记点位置
3.试验结果
从两方面对帆面折叠展开试验结果进行分析：①记录每种折叠方式不同载荷作用下的试验结果，分析该种折叠方式的展开形态以及展开规律；②记录相同载荷下不同折叠方式的展开时间，用以对三种折叠方式进行比较分析。下文将从这两方面分析帆面薄膜展开试验结果。
1）不同载荷下各折叠方式研究
针对每种折叠方式，从2.5 kg、2.0 kg、1.7 kg、1.5 kg和1.0 kg五个悬挂砝码质量中选择4个较合适的砝码质量，进行帆面薄膜展开试验，不同折叠方式展开试验结果及分析如下。
•斜叶外折叠
针对斜叶外折叠方式，选择2.5 kg、2.0 kg、1.5 kg和1.0 kg四个悬挂砝码质量，记录帆面展开过程中45°角点到达点2、3、4时的时间，取两个角点记录时间的平均值，列于表5-6中，并根据记录数据绘制曲线，如图5-46所示。
表5-6 斜叶外折叠不同载荷下展开时间
图5-46 斜叶外折叠不同载荷下展开时间曲线
从图中曲线可看出，悬挂砝码质量为2.5 kg、2.0 kg和1.5 kg时，展开时间相差不大，都能顺利实现帆面展开，砝码质量为2.5 kg时帆面的展开形态如图5-47所示。图中看出帆面在展开两条直角边的同时带动与直角边平行的部分逐步展开，展开过程有序对称，且每一时刻展开帆面面积均匀，帆面并未出现严重的堆积现象，在恒力作用下展开速度均匀。
图5-47 砝码质量为2.5 kg时斜叶外折叠帆面展开形态
砝码质量为1.0 kg时，展开时间明显加长，斜叶外折叠帆面在最后阶段展开困难，没能实现帆面完全展开，帆面仅展开约80%，图5-48为帆面最终展开状态。帆面最终未能实现完全展开，可能是由于在最后展开阶段，已展开太阳帆面与下层用于辅助展开衬底之间的摩擦力导致的，帆面展开面积越大，与衬底之间的摩擦力也就越大，因此在展开最后阶段阻止了帆面的完全展开。
图5-48 悬挂砝码1 kg帆面展开最终形态
•叶外折叠
针对叶外折叠方式，选择2.5 kg、2.0 kg、1.7 kg和1.5 kg四个悬挂砝码质量，记录帆面展开过程中45°角点到达点2、3、4时的时间，取两个角点记录时间的平均值，列于表5-7中，并根据记录数据绘制曲线，如图5-49所示。
表5-7 叶外折叠不同载荷下展开时间
图5-49 叶外折叠不同载荷下展开时间曲线
由表中数据看出只有悬挂砝码质量达到2.5 kg时，帆面才能够实现完全展开，展开过程如图5-50所示，直角三角形帆面在展开直角边的同时带动中间帆面以平行于斜边的形态逐步展开，在帆面展开初期出现了较严重的帆面堆积现象，随着帆面直角边的伸展，中间堆积帆面逐步展开。
图5-50 砝码质量为2.5 kg时叶外折叠帆面展开形态
砝码质量为2.0 kg、1.7 kg和1.5 kg时帆面都没能顺利展开。表中记录的点3是45°角点运动路径的中点，悬挂上述三个质量砝码的帆面在点1到点4展开时间近似相等，但在最后阶段，斜边处的帆面缠结以及帆面与衬底的摩擦力阻止了帆面的进一步展开，如图5-51所示。采用三种折叠方式帆面展开过程中都存在帆面与衬底的摩擦力，但从图中帆面缠结的形态看出，产生帆面缠结与帆面的折叠方式有着直接的关系。由于叶外折叠的帆面是沿着垂直于斜边的方向折叠的，而在展开过程中帆面以平行于斜边的形态逐步展开，竖向的折痕在横向产生褶皱，导致帆面缠结，阻碍了帆面的顺利展开。
图5-51 叶外折叠帆面褶皱
•叶内折叠
针对叶内折叠方式，选择2.5 kg、2.0 kg、1.5 kg和1.0 kg四个悬挂砝码质量，记录数据列于表5-8中，并根据记录数据绘制曲线，如图5-52所示。
表5-8 叶内折叠不同载荷下展开时间
图5-52 叶内折叠不同载荷下展开时间曲线
由表中数据看出悬挂砝码质量为2.5 kg和2.0 kg时，帆面都完全展开，展开时间相差不大，展开过程十分迅速，如图5-53所示为砝码质量为2.5 kg时叶内折叠帆面展开形态。帆面首先沿着两条直角边方向伸出，并堆积在两条直角边的位置，等帆面从卷轴上全部释放时，帆面直角边再带动中间的帆面逐步展开，帆面的展开主要集中在帆面从卷轴释放后。
图5-53 砝码质量为2.5 kg时叶内折叠帆面展开形态
从图5-52所示的展开位移时间曲线中看出在点3（帆面45°角点展开路径中点）之前，帆面展开速度极快，而在点3之后，帆面展开时间明显变长，展开速度降低。悬挂砝码质量为1.5 kg和1.0 kg时，帆面未能完全展开，悬挂砝码1 kg帆面最终展开状态如图5-54所示。采用这种折叠方式的帆面在展开的最后阶段并未出现明显的帆面缠结现象，帆面并未完全展开可能是由于两方面原因造成：①这种折叠方式帆面的展开主要集中在后期，所需动力较大，而砝码质量太小，不足以提供这种展开的动力；②三种折叠方式帆面展开时都存在的普遍问题，即帆面与衬底之间的摩擦力过大。
图5-54 悬挂砝码1 kg帆面展开最终形态
2）相同载荷各折叠方式对比
三种折叠方式都在2.5 kg、2.0 kg、1.5 kg的悬挂砝码质量下展开，记录相同悬挂质量下不同折叠方式的展开时间，绘制曲线。图5-55是悬挂砝码质量为2.5 kg时三种折叠方式下帆面的展开时间，采用三种折叠方式的帆面都能顺利展开：叶内折叠和叶外折叠展开时间较短，前期展开速度较快，后期展开速度减缓；斜叶外折叠展开时间相对较长，但前后期展开速度较为平均，接近匀速展开。
图5-55 悬挂砝码2.5 kg帆面展开时间
图5-56是悬挂砝码质量为2.0 kg时三种折叠方式下帆面的展开时间曲线，叶内折叠和斜叶外折叠的帆面能够顺利展开，而叶外折叠的帆面未能完全展开。帆面展开前期，即到达点3之前，三种折叠方式展开时间都很接近；从点3之后，叶外折叠方式展开时间明显高于另两种折叠方式，且最终未能实现完全展开，叶内折叠和斜叶外折叠都实现了最终的展开，但是斜叶外折叠展开时间更短，展开速度更趋于匀速。
图5-56 悬挂砝码2.0 kg帆面展开时间
图5-57是悬挂砝码质量为1.5 kg时三种折叠方式下帆面的展开时间，三种折叠中仅有斜叶外折叠的帆面能顺利展开。三种折叠方式在到达点4的时间近似相等，即在帆面展开前期，展开速度较快，而后期展开速度明显降低。
图5-57 悬挂砝码1.5 kg帆面展开时间
通过上述对三种帆面折叠方式的对比得出，斜叶外折叠的帆面能在最小的作用力下实现帆面完全展开，且展开速度较均匀，展开过程平稳，是三种折叠方式中较适合太阳帆面的一种折叠方式。
3）小结
上文从两个方面对帆面不同折叠方式展开试验结果进行分析，一方面研究了三种折叠方式各自的展开特性，另一方面对三种折叠方式进行了对比分析。
三种折叠方式各自展开特性如下：①斜叶外折叠帆面在恒力作用下展开速度均匀，在每一时刻展开的帆面面积均匀，不会出现大面积帆面堆积现象，帆面展开过程平稳有序；②叶外折叠帆面在恒力作用下帆面展开初期就出现帆面堆积现象，并随着直角边的运动，堆积的帆面逐步展开，但是帆面展开最后阶段容易出现由帆面堆积引发的帆面缠结现象，阻碍帆面的顺利展开；③叶内折叠帆面在恒力作用下初期展开速度极快，帆面整体展开主要集中在后期，因此后期展开需较大动力，易出现后期帆面难以展开的现象。
对上述三种折叠方式帆面进行对比，可以得到如下结论：①三种折叠方式的帆面展开时，都是前期展开速度较快，后期展开速度变慢，但斜叶外折叠方式的帆面前期展开速度相对较慢，使得帆面整个展开过程较为匀速，展开较平稳；②在选定的5个悬挂砝码质量中，只有斜叶外折叠方式能够在1.5 kg砝码质量下实现完全展开，后期帆面完全展开时所需拉力最小，且不出现帆面缠结现象，是最易实现帆面完全展开的一种折叠方式；③对上述两方面内容的比较可知，斜叶外折叠的帆面能在最小的作用力下实现帆面完全展开，展开过程不出现帆面严重堆积缠结现象，且展开速度较均匀，展开过程平稳，是三种折叠方式中较适合太阳帆面的一种折叠方式。