近年来,立方体卫星作为一种新型航天器发展十分迅速,应用领域日益宽广。与此同时,卫星系统的结构设计和可靠性要求越来越高,功率需求也越来越大。通过分析了立方体卫星的结构特点和空间可展开结构在卫星上的应用,本文设计了一种单自由度可展式太阳翼应用于立方体卫星中,主要工作内容如下。(1)CubeSat太阳翼总体设计。本文首先分析了立方体卫星系统的工作过程,确定了立方体卫星太阳翼结构设计的参数和功能要求。然后通过调研常用空间可展开结构在航天领域的应用对比了各种空间伸展臂和充气管结构和性能上的优缺点,选择薄壁管状伸展臂作为太阳翼的展开机构;通过调研仿生原理在工程领域的应用对比了叶内折叠、斜叶内折叠、叶外折叠和斜叶外折叠四种折叠方式的优缺点,发现叶外折叠方式和斜叶外折叠方式更加适合平面折叠。最后确定了立方体卫星太阳翼膜-杆耦合结构、储存释放装置以及无线控制系统的设计方案。(2)CubeSat太阳翼薄膜柔性基板结构设计。本文首先根据折叠规则分别列举了叶外折叠方式与斜叶外折叠方式的折痕排列组合情况,然后通过缩尺试验建立了这两种折叠方式的折纸模型并分别计算它们沿x,y,z轴方向的折展比,发现斜叶外折叠方式虽然折叠较复杂,但是展开简单、平面度好、沿各方向的折展比较小且均匀,非常适合用作太阳翼柔性基板的折叠方式。(3)CubeSat太阳翼薄壁管状伸展臂设计。本文首先根据圆柱形薄壁结构的设计理论和立方体卫星太阳翼的尺寸限制确定了薄壁管状伸展臂的长度和厚度参数以及卷绕方式;由于薄壁管状伸展臂需要具备一定的刚度,故将其横截面设计为豆荚型,然后通过ANSYS仿真软件对在同一材料参数、长度和厚度情况下不同截面参数的伸展臂进行了刚度分析,得到综合性能最好的伸展臂是圆心角等于90°情况。(4)CubeSat太阳翼储存释放装置和柔性铰链的设计。本文基于立方体卫星的设计规则为CubeSat太阳翼设计了一套储存释放装置用于收纳折叠状态的太阳翼。由于CubeSat太阳翼的工作环境相对于地面环境来说要复杂,所以使用ANSYS仿真软件对装置进行了六阶模态分析,以确保储存释放装置不会因为受到外界激励而产生共振。由于传统铰链存在间隙会导致装置展开时产生冲击,本文引入了一种单自由度、大行程的带簧型柔性铰链于立方体卫星系统中,旨在利用柔性铰链无间隙、无摩擦的优点解决传统铰链带来的冲击和振动问题,确保装置展开过程的平稳性,然后通过ANSYS仿真软件分别对同一材料但是不同厚度、不同圆心角排列组合的带簧片进行了柔度分析,最后选择出了最优柔度的带簧片作为柔性铰链的弹性柔性体。(5)CubeSat太阳翼地面展开试验设计。本文首先提出了柔性基板、展开机构以及释放装置样机的制作方法,然后设计了一套太阳翼地面展开试验方案,最后通过样机展开试验验证了薄膜材料和折叠方式选择、薄壁管状伸展臂设计的合理性。本文所设计的立方体卫星太阳翼使用薄膜柔性基板代替刚性基板,具有重量轻、收纳率高和稳定性强的优点,能够为卫星提供更多的能量,满足卫星日益增大的功率需求;使用薄壁管状伸展臂作为展开机构,利用自身弹性变形产生的应变能驱动太阳翼做自旋展开运动,不需要额外增加电机、加速器等装置,不需要额外设计控制电路,减轻了立方体卫星系统的重量。整个系统具备更高的可靠性,对今后立方体卫星系统的制作具有参考意义。