航天器高稳结构的概念、原理与试验验证

概述高稳结构是指具有高尺寸稳定性的结构。不同类型的航天器上设备对结构尺寸稳定性的要求是不同的，因为对尺寸稳定性敏感程度的不同，所产生的效应不同3.高稳结构七、航天器功能结构设计结构稳定性影响因素力学因素温度交变真空、辐射、原子氧等空间环境湿气3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构设计指标与时间相关的稳定性短期稳定性长期稳定性与基准状态相关的稳定性相对于基准状态的绝对稳定性相对于平衡位置的相对稳定性3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构设计指标热稳定性指标必须物理含义明确，不允许存在歧义或模糊性，如“安装面变形优于1μm”这样的指标描述是含义不明的，应该用安装面高度方向或面内变形等明确确定。热稳定性指标的数学含义必须明确，如均值、最大值、峰峰值、均方值等。热稳定性指标必须明确规定是长期稳定性还是短期稳定性，或者两者都需要明确给出。在需要通过复杂算法获取热稳定性指标时，应采用各方认可的算法进行计算。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构设计高稳结构设计概念高稳结构设计的两个原则自身具有良好的尺寸稳定性；具有对外部变形因素的解耦能力。两种方式实现方式主动方式。通过作动器恢复由应力或外部环境产生的形变以达到高尺寸稳定性要求。被动方式。是使用对这些效应不敏感的材料并结合一定的结构设计达到稳定性指标。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构设计高稳结构本体设计材料设计材料选择：应具有高刚度、高强度、低密度、低热膨胀系数、低湿膨胀系数等性能。常用的低膨胀系数的材料：殷钢主要用于小型支架或复合材料埋件的稳定性设计中；微晶主要用于相机镜片材料；碳纤维增强树脂基复合材料和碳／碳复合材料主要用于相机主结构或有效载荷适配结构的高稳结构设计中。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构设计高稳结构本体设计铺层设计

全方向零膨胀设计指使得在面内任意方向上的热膨胀系数均为零。

零膨胀设计铺层首先是各向同性设计，其铺层设计应满足：

①铺层总数n≥2。

②各层材料性质和厚度相等。

③各层纤维方向按如下公式排列：

全方向零膨胀设计的基本条件：

单方向零膨胀设计更容易实现，且在仅需要特定方向的高稳设计时，更具有实际工程意义。

无论是全方向零膨胀设计还是单方向零膨胀设计在进行热稳定性铺层设计时，所有铺层必须对称。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构设计高稳结构本体设计构型设计设计初始阶段，难以定量分析尽量避免复杂构型埋件设计材料埋件间距埋件数量3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构设计高稳结构连接设计静定安装

不仅是使得结构力学性能求解容易，可以把支撑特性与高稳结构内部特性进行解耦。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构分析温度载荷分析与工况边界条件。对于航天器在轨热稳定性分析，自然处于无约束状态。但地面试验预示和单机级热稳定性分析则存在一个边界条件模拟和设置，以及识别最恶劣工况的问题。与直观感觉不同，存在边界条件时，最恶劣工况可能既不是边界全刚性约束，也不是边界全自由状态，而是边界刚度和温度分布以及温度梯度的特定组合下的状态会成为最恶劣工况。这在分析单机级热稳定性性能时尤其需要注意，不考虑边界刚度影响，对单机进行热稳定性分析，其结果仅可作为参考或初步评估，不能作为最终热稳定性指标的依据。在轨工作时间影响。航天器的温度场在入轨初期和末期存在差异，这个差异对热稳定性指标的影响必须考虑，也就是入轨初期和末期的稳定性指标应该分别确认。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构分析温度载荷分析与工况标定周期的影响。航天器上的有效载荷工作时往往存在一个在轨标定的过程。稳定性的指标分析与标定周期相关，标定周期时间间隔，决定了在轨热稳定性分析时间段的选取以及热稳定性的指标。工作模式的影响。有效载荷在轨的工作模式，包括工作时间（短时、长期、全寿命），航天器姿态等都对温度场时间段的选取和工况的制定产生影响。如果是短时间工作，则仅在工作时间段内的温度场对热稳定性指标的影响是有意义的。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构分析高稳结构分析中的常见问题刚性单元。刚性单元一般不考虑热膨胀，这在热稳定性问题中存在潜在的巨大误差。引入误差依赖于刚性单元的大小。然而，即使是很小的刚性单元，在存在偏置时也会产生较大的误差。多点约束方程（MPC）可能会以同样的方式增加误差。这个问题的一个解决方法是采用刚度非常大的、具有热膨胀功能的单元。但由于单元刚度过大，可能导致和其他的柔性单元一起求解时会产生求解的收敛问题。热膨胀系数。当对材料不赋予热膨胀系数时，一般的商业软件是假设材料的热膨胀系数为零，此时计算将获得错误的结果。因此，在热稳定性计算之前，检查各个材料的热膨胀系数是必需的一步。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构分析高稳结构分析中的常见问题参考温度或初始温度。热稳定性的计算结果是结构存在相对于某一初始温度或参考温度时的温度场时的变形。如果不指定这一初始状态，则一般程序会将0°设为初始温度或参考温度，此时计算将获得错误结果。结果处理。以稳定性指标为分析目的的计算结果，多是以变形的形式出现。这个变形是广义的，包括位移和距离变化、向量指向变化、平面度变化、圆度变化等。计算结果的类型必须与影响有效载荷性能的几何变形影响因素存在直接关联关系，需要和有效载荷取得一致理解的前提下，开展具体变形量的分析。需要强调的是，抛开有效载荷具体需求进行热稳定性指标分析是错误和无意义的。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构试验验证温度场模拟温度场模拟常见设备

高低温箱（或真空罐）可以模拟高温和低温各种工况，温度场分布的控制精度高，但是存在试验费用高昂，测量系统在高低温箱中的温控实施、精度保证困难等缺点。

实验室温条件下的加热器（电加热器、红外加热器、太阳模拟器等）模拟试验费用低，实现简单，其缺点是只能模拟高温工况、温度场易受环境影响、温度波动的控制难度大。施加的温度场必须能够对设定的温度工况进行正确的模拟，并且施加温度过程中采用的方法对变形测量不能产生不利影响。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构试验验证温度场模拟开始热变形测量的前提

时间上的稳定性。即试验对象各空间点的温度数据随时间的波动变化保持在一个允许的公差范围内。

空间上的稳定性。即使是均匀温升的载荷工况，试验件上各点的温度在平衡之后也不一定遵循相同的变化规律，这表现在试验件各点的测温曲线上，各点温度随时间变化曲线可能会出现相交的情况，即各点的温度在空间分布的梯度并不处于恒定的状态，此时在温度平衡之后还必须再等待更长时间，使各温度测点的曲线在不出现相交的情况下再进行热变形测试。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构试验验证热稳定性测量方法角度测量（测量基准镜的法线指向变化）电子经纬仪光电自准直仪激光跟踪仪位移测量分为激光跟踪仪激光位移计光学全场测量3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构试验验证热稳定性试验验证中的影响因素环境。测量过程中，环境的温度、振动扰动不能对测量产生影响。环境温度波动应严格控制在一定的允许范围内。工装。热稳定性试验中航天器的支撑工装必须和航天器是力学和热学解耦的，即工装的机械变形和航天器本体的变形不能互相影响和约束；工装和航天器本体之间必须采取隔热措施，使两者之间没有热交换。时间漂移。热稳定性试验在试验过程中为使温度场达到测量要求的稳定水平，一般需要比较长的时间，因此，试验之前，必须对测量仪器的时间漂移特性进行标定，针对比较明显的漂移特性，后续试验中必须有相应的处理措施。3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构试验验证热稳定性预试验背景噪声测试。通过对没有施加温度载荷的试验对象目标区域进行无温度载荷长时间测量，取得实测的试验现场环境的噪声量级和噪声时间漂移特性，对后续正式试验数据的精度评估具有重要意义。测量有效性预估。

（1）温度加载系统的完整性检查，包括短路、断路，实际加热区域与要求加热区域的符合性等；

（2）温度施加能力是否满足试验要求；

（3）温度稳定水平是否满足试验要求；

（4）测量系统精度是否满足试验要求；3.高稳结构七、航天器功能结构设计高稳结构试验验证热稳定性预试验测量有效性预估。

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