2015年1月31日，美国喷气推进实验室发射了主被动土壤水分监测(SMAP)卫星，这是第一颗搭载复合材料旋转环形可展天线的人类卫星。SMAP于2015年4月开始工作，但其主动雷达在2015年7月7日即停止运转。受此影响，SMAP卫星的分辨率由10千米降至40千米，项目宣告失败。而SMAP卫星的失效原因至今仍无定论。

SMAP的设计亮点在于它的“大天线”（复合材料环形网架天线），在轨展开后，这种天线可以绕带有一定倾角的偏心转轴进行偏心旋转，从而扩大扫描范围，满足大范围对地观测的特殊任务需求。然而，“成也萧何，败也萧何”，大天线结构和力学状态的复杂性很可能正是SMAP卫星失效的原因所在。

在最近发表于《科学通报》的研究性论文中，研究者从非线性动力学的角度提出了SMAP卫星失效的一种可能原因：在根据观测需要调整姿态的过程中，某一时刻，“大天线”的偏心率与转速恰好达到内共振触发条件，在各种激励因素的共同作用下，“大天线”发生混沌运动，使主动雷达因剧烈的非线性振动而发生损坏。

复合材料环形桁架天线是超大型刚柔耦合结构，具有多种振动模态，当不同模态之间发生相互作用、能量在不同模态之间传递，即可引起内共振现象，进而引发混沌运动，对结构产生破坏。

本研究中，研究者将SMAP卫星天线等效为复合材料圆柱壳模型，建立相应的非线性微分方程组，从而刻画出发生1:2内共振所需的参数条件。

偏心旋转复合材料层合圆柱壳模型

通常情况下，圆柱壳模型（SMAP卫星天线）的厚度和半径已经固定，但偏心率可调。在依观测需要调整偏心率过程中，很可能在一定转速下触发1:2内共振。数值仿真结果显示，在一定的横向激励和温度参数激励下，处于偏心旋转状态的“大天线”将发生大振幅混沌运动。

在q=30, Ω=2.5579及T=50条件下系统发生混沌运动。(a) 状态空间(x1, x2, x3)中的三维相轨迹; (b) (x1, x2)平面上的相轨迹。

据此，本文认为卫星天线失效的一个可能原因是，当卫星天线在一定的转速下发生1:2内共振后，卫星天线在温度参数激励和外激励的共同作用下可以发生混沌运动，这是一种大幅度、剧烈的非线性振动，足以造成结构破坏。

综上所述，本研究为美国SMAP卫星失效提供了一种可能性分析，也为我国研究同类复合材料环形桁架天线提供了理论指导，具有重要的理论意义及工程价值。

原文信息

凯歌, 刘涛, 斯日古楞, 张伟. 美国SMAP卫星失效的一个可能性分析. 科学通报64(31), 3196-3203 (2019)