引言
随着航空航天技术的飞速发展，轻型空间结构如太阳帆和充气通信天线等新型设计逐渐成为研究热点。这些结构不仅要求具备轻量化、高可靠性的特点，还需在极端环境如真空条件下保持稳定的工作性能。因此，对这类结构进行精确的动态测试显得尤为重要。本文将以太阳帆为例，详细介绍如何在真空环境中利用激光测振技术进行模态测试，为同类轻型结构的测试提供科学依据。
太阳帆结构及其测试挑战
太阳帆作为一种独特的航天推进方式，依赖太阳光的光压产生推力，因此要求具备超大的表面积、极轻的质量以及近乎完美的反射面。然而，这些特性也给地面测试带来了巨大挑战，特别是当太阳帆需要在真空环境中进行测试时。具体挑战包括：太阳帆表面积大且厚度极薄，易受空气影响，以及模态测试时测量点密度高，需要精细的测试技术。
激光测振技术的选择与应用
为了克服上述挑战，本文采用了Polytec扫描式激光测振仪作为测试工具。该仪器能够在真空环境中稳定工作，且具备高精度和非接触式的测量特点，非常适合用于太阳帆的模态测试。
测试环境准备：
真空室：测试在真空室内进行，以模拟太空环境。真空室的设计需确保能够容纳太阳帆及其支撑结构，同时保持稳定的真空度。
激光测振仪布置：激光测振仪被置于一密封加压罐内，以保护其不受真空环境影响。激光从加压罐的窗口射出，通过扫描反射镜系统（SMS）对太阳帆进行全场模态测试。
测试系统配置：
SMS系统：SMS系统安装在真空室顶部，负责将激光束导向太阳帆上的被测点。系统包括静态反射镜和两个正交的动态反射镜，能够实现激光束的精确控制和定位。
自动化测试软件：采用专门开发的目标跟踪算法，激光束在测量每个待测点前均进行自动聚焦操作，以保证测试信号的质量。整个测试过程包括初始校准、目标跟踪处理以及数据采集和存储，均由系统自动完成。
激励方法与测量点布置：
激励方法：在太阳帆支撑杆的各端部安装电磁铁，通过控制电磁铁的通断电来实现对太阳帆的激励。电磁铁被安装在带有线性驱动器的垂直位移台上，以便精确定位。
测量点布置：为节省测试时间，在太阳帆每四分之一象限内定义5个测量点，每个支撑杆的端部定义2个测量点。这种布置方式既保证了测试效率，又能够准确反映太阳帆的模态特性。
测试结果与分析
通过激光测振技术的应用，成功获取了太阳帆在真空环境中的模态数据。主要测试结果包括：
主模态：在0.5Hz处，太阳帆系统的主模态振型为所有象限进行同相摆动。在这阶模态下，所有的支撑杆围绕着轴线进行螺旋式运动。这一结果揭示了太阳帆在低频振动下的整体响应特性。
一阶模态：在0.69Hz处，支撑杆参与一阶太阳帆薄膜的模态运动，振型为呼吸模态。在该模态下，太阳帆四分之一象限的支撑杆围绕自身轴线承受一阶弯曲。这一发现对于理解太阳帆薄膜的振动特性具有重要意义。
高阶模态：通过分析太阳帆的其他高阶模态，发现四分之一象限内的支撑杆振型主要为一阶弯曲，但中轴则表现出二阶或三阶弯曲振型。这些测试结果对于结构分析及优化至关重要，为太阳帆的设计和改进提供了有力支持。
结论与展望
本文介绍了在真空环境中利用激光测振技术进行太阳帆模态测试的方法和应用。通过精确的系统配置和自动化测试软件，成功获取了太阳帆的模态数据，为同类轻型结构的测试提供了科学依据。未来，该方法可进一步应用于其他轻型结构的测试，如充气通信天线等，为航空航天领域的技术开发提供有力支持。
致谢
感谢ATK公司、SRS科技和NASA兰利研究中心组成的工作小组在本项目中的合作与支持。特别感谢NASA航天推进办公室（ISP）的指导与资助，使得本项目得以顺利实施并取得丰硕成果。