5.3.1 原理样机静力学测试
1.测试内容
对太阳帆原理样机进行静态变形测量，取得厚度为12.5 μm的单面镀铝聚酰亚胺薄膜和厚度为25 μm的未镀铝聚酰亚胺厚膜的变形数据，为太阳帆原理样机的优化设计提供依据。
原理样机处于悬挂状态，帆面水平放置，距离台面高度约35 cm，三点悬挂，通过调整预紧力大小改变帆面的形变。其中直角处悬挂在中心体上，另外两角通过悬挂配重的方式施加大小相同的拉力，配重质量依次为5 kg、4 kg、3 kg、2 kg、1 kg，镀铝膜的处理方法与透明膜的相同。
2.测试方法
1）测量仪器
使用Surphaser 25HSX三维激光扫描仪（图5-63）进行形面测量，该扫描仪采用相位式测距原理。与经纬仪等测角仪器采用度盘测角相区别，激光扫描仪通过电机改变激光光路获得扫描角度，三维激光扫描仪需要两个电机控制光路在垂直和水平两个方向扫描，其中垂直方向的电机和扫描镜连在一起，控制完成线扫描，水平方向的电机控制完成帧扫描。Surphaser 25HSX三维激光扫描仪的技术参数如表5-9所示。
图5-63 Surphaser 25HSX三维激光扫描仪
表5-9 Surphaser 25HSX三维激光扫描仪的技术参数
2）测量精度验证
对300 mm×900 mm的膜进行测量试验验证，验证使用Surphaser 25HSX三维激光扫描仪进行形面测量的可行性；检验扫描仪在同一位置进行多次扫描的重复精度。
在同一测站对薄膜进行4次重复性测量，以第1次扫描数据为基准，其余3次扫描数据均与第1次进行最佳拟合处理，计算出最佳拟合的均方根误差和平均误差。再选取两个不同测站进行扫描测量，重复以上操作，共计12组扫描数据。如图5-64所示，蓝色区域为第一次扫描结果，红色区域为比较对象。
图5-64 最佳拟合示意
通过实验结果（表5-10）可以看出，激光扫描测量方法精度约为0.2 mm，满足大面积薄膜的面形测量要求。
表5-10 实验结果统计
3）测试步骤
鉴于三维激光扫描仪对高亮（镀铝膜）、透明（透明膜）的物体都难以获取高质量的点云，因此，在对薄膜进行扫描测量之前，需对其喷洒适量的显影剂。如图5-65所示为测量现场布局。
图5-65 测量现场布局
3.测试结果分析
在点云状态时，选取三个角上的点拟合出一个标准平面（其法线竖直向上），再利用一直角边上的两点拟合一直线，使用点、线、面建立一直角坐标系，如图5-66所示，其余坐标系建立方式与此相同。最后，使用Geomagic Studio 2014将点云数据处理为多边形格式后，计算帆面变形。两种帆面测量结果见本章附表1。
图5-66 薄膜形面测量结果
1）帆面最大挠度分析
统计在不同预紧力、不同厚度条件下的帆面最大挠度，如图5-67和表5-11所示。可得出如下结论：
图5-67 不同预紧力、不同厚度帆面最大挠度
无论是厚膜还是薄膜，帆面在重力作用下的变形随预紧力增加而减小，变化趋势近似呈指数衰减，当预紧力大于4 kgf[1]时，帆面最大挠度最终趋于平缓。因此，对本原理样机所采用的帆面，在帆面水平悬挂时，较为合适的预紧力为4 kgf左右，进一步增加预紧力无助于改善帆面的平面度，但会增加支撑臂的轴向载荷，有可能导致其屈曲。
相同预紧力状态下，25 μm厚度的厚膜变形量大于12.5 μm厚度的薄膜，两者最大挠度差别随预紧力增加而减小，当预紧力为1 kgf时两者相差达101.6 mm，当预紧力达到4 kgf时两者相差减小为4.3 mm。厚膜与薄膜最大挠度之差取决于预紧力与帆面重力的竞争，这是本试验中帆面水平悬挂所出现的现象，当帆面在空间只受光压作用时，不会出现此现象。
表5-11 薄膜最大挠度分布
续表
2）帆面褶皱分析
采用激光扫描测量的方法可以较为精细地得到整个帆面的褶皱分布及其形态变化，采用其后处理软件可以得到褶皱的参数。褶皱形态及其参数与预紧力大小、方向、帆面初始状态等因素均有关系。
•帆面褶皱形态
帆面受三点拉伸，帆面褶皱从拉伸位置呈辐射状向帆面中心延伸，在角部褶皱波长较短、峰值较高，向帆面中心处波长逐渐变长、峰值减小，最终褶皱逐渐消失，帆面中部区域整体较为平坦；三条边附近也存在较大褶皱。这主要是由太阳帆原理样机的设计中，帆面与支撑臂采用三点连接方式所致。
对于薄膜，因采用拼接粘贴工艺，所以在帆面拼接处已预先形成褶皱，对于预应力加载下褶皱的形态有一定影响，不易分析。对于厚膜，随着预紧力的增加，帆面褶皱区域面积减小，帆面中心平坦区域面积增大。帆面褶皱形态随预紧力变化情况见表5-12。
表5-12 帆面褶皱形态随预紧力变化
•帆面褶皱参数
帆面褶皱参数主要包括截面褶皱数量、典型褶皱的峰谷值和半波长，如图5-68（b）所示。选取两个典型的截面（图5-68（a））测量褶皱参数：截面1平行于帆面斜边并垂直于XY平面，距离帆面直角顶点800 mm（约为帆面边长的1／10）；截面2垂直于帆面右侧45°角平分线并垂直于XY平面，距离帆面45°角顶点1 600 mm（约为帆面边长的1／5）。
图5-68 帆面褶皱处理方法示意图
（a）帆面典型截面选取；（b）褶皱参数
镀铝薄膜截面1处褶皱有9个，褶皱数量不随预紧力变化；所选取的该截面典型褶皱半波长为53.8～57.8 mm，基本不随预紧力变化；典型褶皱峰谷值为11.2～13.0 mm，基本不随预紧力变化。截面2处褶皱有12个，褶皱数量不随预紧力变化；所选取的该截面典型褶皱半波长为48.7～53.0 mm，基本不随预紧力变化；典型褶皱峰谷值为7.0～9.0 mm，随预紧力增加略微呈现先增大后减小的趋势。如图5-69所示为镀铝薄膜预紧力4 kgf时截面曲线。镀铝薄膜典型截面褶皱曲线见表5-13。
图5-69 镀铝薄膜预紧力4 kgf时截面曲线
（a）截面1曲线；（b）截面2曲线
表5-13 镀铝薄膜典型截面褶皱曲线
续表
透明厚膜截面1处褶皱有13个，褶皱数量不随预紧力变化；所选取的该截面典型褶皱半波长为52.0～58.9 mm，基本不随预紧力变化；典型褶皱峰谷值为2.0～4.5 mm，随预紧力增加略微增大。截面2处褶皱有12个，褶皱数量不随预紧力变化；所选取的该截面典型褶皱半波长为53.0～85.6 mm，注意85.6 mm和72.2 mm两个数值对应于褶皱处帆面有较大倾斜；典型褶皱峰谷值为5.0～11.0 mm，注意11.0 mm和10.6 mm两个数值对应于褶皱处帆面有较大倾斜，测量时截面斜率对峰谷值有贡献，扣除该因素，可认为褶皱峰谷值随预紧力增加略微呈现单调减小的趋势。如图5-70所示为透明厚膜预紧力4 kgf时的截面曲线。透明厚膜典型截面褶皱形状见表5-14。
图5-70 透明厚膜预紧力4 kgf时截面曲线
（a）截面1曲线
图5-70 透明厚膜预紧力4 kgf时截面曲线（续）
（b）截面2曲线
表5-14 透明厚膜典型截面褶皱形状
在当前试验条件下，改变预紧力（1～5 kg），对于薄膜和厚膜褶皱数量都不变化；薄膜和厚膜截面典型褶皱半波长在55 mm左右，两者基本一致；薄膜褶皱的峰谷值略高于厚膜。如图5-71所示为镀铝薄膜预紧力1 kgf时读取褶皱尺寸示意图。两种帆面典型截面褶皱参数如图5-72所示。
图5-71 镀铝薄膜预紧力为1 kgf时读取褶皱尺寸示意图
图5-72 两种帆面典型截面褶皱参数
（a）截面褶皱最大峰谷值；（b）截面褶皱最大峰谷值对应的半波长
（c）截面褶皱数量（褶皱数量基本不变）