结构机构和热控分系统设计.ppt

第第 九九讲讲 结构机构和热控分系统设计结构机构和热控分系统设计 1 1、结构与机构分系统设计、结构与机构分系统设计 3 3 （1 1）结构与机构分系统的功能）结构与机构分系统的功能 航天器结构与机构分系统可以统称为航天器机械分系统。航天器结构与机构分系统可以统称为航天器机械分系统。 它为卫星的所有其他分系统提供机械支撑，把卫星安装到运载它为卫星的所有其他分系统提供机械支撑，把卫星安装到运载 火箭上，并为启动火工装置的分离动作创造条件。火箭上，并为启动火工装置的分离动作创造条件。 （2 2）结构分系统的功能）结构分系统的功能 1 1）卫星结构定义：）卫星结构定义：是支承卫星中有效载荷以及其他各分是支承卫星中有效载荷以及其他各分 系统的骨架。系统的骨架。 2 2）结构分系统的作用：结构分系统的作用：是连接并支撑各个分系统的仪器是连接并支撑各个分系统的仪器 设备，使其形成完整的航天器整体，并具有规定的刚度和能承设备，使其形成完整的航天器整体，并具有规定的刚度和能承 受运载火箭及地面运输时的各种力学环境。受运载火箭及地面运输时的各种力学环境。 4 4 3 3）结构分系统的组成）结构分系统的组成 结构分系统：主结构结构分系统：主结构+ +次结构次结构+ +特殊功能结构特殊功能结构 1 1）主结构，主承力结构，是所有卫星部件在运载火箭上的支）主结构，主承力结构，是所有卫星部件在运载火箭上的支 撑，是从运载火箭到卫星的主要载荷传递路径，也可包括星箭撑，是从运载火箭到卫星的主要载荷传递路径，也可包括星箭 对接段和发动机支架：中心承力筒、构架式、舱体式对接段和发动机支架：中心承力筒、构架式、舱体式 2 2）次结构，设备支架，外壳）次结构，设备支架，外壳 3 3）特殊功能结构：包括防热结构、密封结构、天线结构和太）特殊功能结构：包括防热结构、密封结构、天线结构和太 阳电池翼结构等。阳电池翼结构等。 5 5 4 4）卫星结构分系统的功能：）卫星结构分系统的功能： 1 1）承受和传递卫星上所有载荷，）承受和传递卫星上所有载荷， 2 2）为卫星有效载荷和其他分系统提供所需的）为卫星有效载荷和其他分系统提供所需的安装空间、安装安装空间、安装 位置、安装方式位置、安装方式，把它们连成一个整体，满足各自要求，便于，把它们连成一个整体，满足各自要求，便于 装卸、操作和维护，装卸、操作和维护， 3 3）为卫星有效载荷和其他分系统）为卫星有效载荷和其他分系统提供有效的环境保护提供有效的环境保护， 4 4）为星上某些特殊的有效载荷或其他分系统）为星上某些特殊的有效载荷或其他分系统提供所需的刚性提供所需的刚性 支承条件支承条件，传感器所需精度等，传感器所需精度等， 5 5）为星上某些特殊的有效载荷或其他分系统）为星上某些特殊的有效载荷或其他分系统提供所需的物理提供所需的物理 性能，导热、绝缘等性能，导热、绝缘等 6 6 （3 3）机构分系统的功能）机构分系统的功能 1 1）卫星机构的定义）卫星机构的定义：是卫星上产生动作的部件，至少由一个：是卫星上产生动作的部件，至少由一个 运动部件和一个动力源及反馈装置组成。机构的作用是使航天运动部件和一个动力源及反馈装置组成。机构的作用是使航天 器上各种可活动部件具有连接和分离，或收拢和展开的功能。器上各种可活动部件具有连接和分离，或收拢和展开的功能。 机构主要有压紧释放机构（太阳电池阵或天线）、展开结构（机构主要有压紧释放机构（太阳电池阵或天线）、展开结构（ 太阳电池阵或天线）、锁定结构、连接分离机构（舱段连接）太阳电池阵或天线）、锁定结构、连接分离机构（舱段连接） 、驱动机构（、驱动机构（SADASADA）、消旋机构和缓冲结构等。）、消旋机构和缓冲结构等。 2 2）卫星机构的功能：）卫星机构的功能： 1 1）形成和释放星上部件的连接或紧固状态）形成和释放星上部件的连接或紧固状态 2 2）使卫星与运载火箭之间或星上各部件之间相互分离）使卫星与运载火箭之间或星上各部件之间相互分离 3 3）使星上部件展开到所需位置或展开成所需形状）使星上部件展开到所需位置或展开成所需形状 4 4）使星上部件保持指向规定的目标）使星上部件保持指向规定的目标 7 7 (4)(4)对结构与机构分系统的要求对结构与机构分系统的要求 其要求主要包括结构的外形尺寸；主承力构件的形式其要求主要包括结构的外形尺寸；主承力构件的形式 （包括传力线路的分析）；次结构件的设计要求（安装仪器（包括传力线路的分析）；次结构件的设计要求（安装仪器 设备的位置、尺寸和质量）；对结构分系统的质量分配，质设备的位置、尺寸和质量）；对结构分系统的质量分配，质 心位置的确定心位置的确定; ;对航天器系统的刚度提出要求对航天器系统的刚度提出要求( (包括天线和太阳包括天线和太阳 翼收拢和展开状态翼收拢和展开状态) )；与运载火箭接口设计要求；对结构提出；与运载火箭接口设计要求；对结构提出 整星起吊接头设计、停放支座设计、基准面要求；对结构各整星起吊接头设计、停放支座设计、基准面要求；对结构各 部段尺寸精度要求；卫星坐标系的确定（如航天器与运载火部段尺寸精度要求；卫星坐标系的确定（如航天器与运载火 箭对接的轴线，入轨后该轴线是朝飞行方向还是对地方向，箭对接的轴线，入轨后该轴线是朝飞行方向还是对地方向， 或是背地方向等）；热控对结构件或材料的要求（如静止轨或是背地方向等）；热控对结构件或材料的要求（如静止轨 道固体远地点发动机外需设计有耐高温的隔热屏）道固体远地点发动机外需设计有耐高温的隔热屏）, ,返回航天返回航天 器的耐热烧蚀要求以及密封要求等，另外要有较高的可靠性器的耐热烧蚀要求以及密封要求等，另外要有较高的可靠性 。 8 8 （5 5）结构和机构的设计的主要过程）结构和机构的设计的主要过程 1 1）确定要求：）确定要求： - -任务任务 - -运载工具：强度、刚度、模态、接口、包络、重量运载工具：强度、刚度、模态、接口、包络、重量 振动、噪声、冲击振动、噪声、冲击 星箭耦合分析星箭耦合分析 - -工作环境：生产工作环境：生产任务完成任务完成 2 2）结构布局）结构布局 - -分系统要求：自旋惯量、视场、指向、羽流分系统要求：自旋惯量、视场、指向、羽流 - -外轮廓外轮廓 -可接近性：蓄电池更换、落焊可接近性：蓄电池更换、落焊 - -可生产性可生产性 - -确定负载路径、质心确定负载路径、质心 9 9 （5 5）结构和机构的设计过程）结构和机构的设计过程 3 3）设计方案选择：）设计方案选择： - -结构型式结构型式 - -材料：铝、材料：铝、 4 4）仿真分析和试验）仿真分析和试验 - -设计分析设计分析 - -仿真仿真 -可接近性可接近性 - -可生产性可生产性 - -确定负载路径确定负载路径 - -试验试验 1010 a. a. 承力筒式承力筒式 1111 b.箱板式箱板式 1212 c.桁架式桁架式 1313 d.外壳式外壳式 1414 e.e.混合式混合式 常见常见结构结构 三棱柱结构 扩展性和适应性强 资源利用低 整体构型布局难 承力筒板式结构 主要适于大型卫星 纯板式结构 承载能力弱 500kg以内 框架面板式结构 承载能力大 2 2、热控分系统设计、热控分系统设计 1717 （1 1）热控分系统的功能）热控分系统的功能 卫星热控制就是通过对卫星内外的热交换过程控制， 保证星体各个部位及星上仪器设备在整个任务期间都处于 正常工作的温度范围。热控制有被动式热控制和主动式的 热控制。 外热源： 太阳6000K（1353W/m2 ） 地球 辐射为主、4K冷空间 、无对流微重力 1818 （2 2）对热控分系统的要求）对热控分系统的要求 热控分系统和其它各个分系统都有关系。它的任务是热控分系统和其它各个分系统都有关系。它的任务是 保证各个分系统在轨运行各个阶段的工作温度范围。保证各个分系统在轨运行各个阶段的工作温度范围。 航天器上各类设备的要求大致有：航天器上各类设备的要求大致有： * *一般电子设备的工作温度范围是一般电子设备的工作温度范围是0 0 4040； * *镉镍蓄电池的工作温度范围是镉镍蓄电池的工作温度范围是5 5 2020； * *太阳太阳电电电电池的池的工作温度范围工作温度范围是控制在是控制在- -100100 +100+100 （但从要求来（但从要求来说说说说，应应应应控制在低端，因控制在低端，因为为为为工作温度越低，工作温度越低， 太阳太阳电电电电池的效率就越高）；池的效率就越高）； * *液体推液体推进剂进剂进剂进剂 的温度要求保持在的温度要求保持在7 7 3535（所以，（所以， 连连连连接到小接到小推力器的管路几乎都要加热推力器的管路几乎都要加热）；）； 1919 * *红红红红外相机敏感器要求在极低温度下工作（低于外相机敏感器要求在极低温度下工作（低于120 120 K K ）；）； * *高分辨率相机高分辨率相机对对对对工作温度范围要求极高（有的要求工作温度范围要求极高（有的要求 控制在控制在2 2 内）内） 其它和热控分系统设计有关的要求还有：轨道高度、其它和热控分系统设计有关的要求还有：轨道高度、 太阳角、卫星结构材料、仪器设备的发热量、天线及太阳太阳角、卫星结构材料、仪器设备的发热量、天线及太阳 翼的遮挡等。翼的遮挡等。 2020 ）常用的一些热控分系统的方法常用的一些热控分系统的方法 热控分系统一般采用的方法可分为被动式、半被动式热控分系统一般采用的方法可分为被动式、半被动式 和主动式。和主动式。 被动式被动式是指没有活动部件或加热器；半被动式是指采是指没有活动部件或加热器；半被动式是指采 用由热敏器件驱动的简单的控制装置来打开或关闭导热通用由热敏器件驱动的简单的控制装置来打开或关闭导热通 道，使热量散出，如百叶窗；主动式是指电加热器、机械道，使热量散出，如百叶窗；主动式是指电加热器、机械 循环泵和冷冻机等。循环泵和冷冻机等。 2121 被动式热控制一般是根据仪器设备发热量的大小，进 行合理的布局设计和选取不同的热控材料来处理航天器内 外热交换。如在航天器的表面覆盖特殊的温控涂层，以降 低表面的太阳吸收率与热辐射率的比值；在航天器的不同 部位或是仪器之间布置热管，把热端的热量导向冷端，减 少仪器设备之间的温度差；在仪器表面包敷多层隔热材料 或低辐射率涂层，防止热量散失或阻隔其它热量；采用变 相材料吸收和释放热量等。 2222 无人航天器的热控无人航天器的热控9595是用被动式。被动式是用被动式。被动式 使用的元、部件有热管使用的元、部件有热管（与同样直径的铜棒相比，（与同样直径的铜棒相比， 传热量是铜棒的传热量是铜棒的200-300200-300倍）倍）、导热板、相变材料、导热板、相变材料 （如石蜡，用于温度突变的峰值）、热控涂层、多（如石蜡，用于温度突变的峰值）、热控涂层、多 层绝热材料（主要绝热材料是镀鈻聚脂薄膜）、二层绝热材料（主要绝热材料是镀鈻聚脂薄膜）、二 次表面镜（外表面吸收系数小，辐射系数大）、采次表面镜（外表面吸收系数小，辐射系数大）、采 用专用结构的热辐射器、隔热垫和隔热屏等。接触用专用结构的热辐射器、隔热垫和隔热屏等。接触 热阻和导热填料热阻和导热填料 2323 主动式热控制，在采用被动热平衡技术还 不足以实现航天器的温度控制要求时，往往采 用主动式热控制，当外热流或内热源发生变化 时，自动调节航天器内部设备温度，并保持在 所需要的温度范围之内。主动式热控制有辐射 式、对流式和传导式三种热控制形式。如电加 热器和大容量的热传导装置或热管可以有效地 控制设备的温度。对流式一般是在密封舱的条 件下，采用风扇等措施，强迫实现舱内的气流 流动。 2424 3）卫星热控概貌 2525 图 可展开热辐射器 热控热控 各设备与热管网络的关系 散热面设计初步设想 u载荷与平台一体化热控设计 u被动热控措施为主，主动热控措施为辅 u主、辅散热面 u舱内等温化涂层、填料、热管 u偏低温度设计 u分级的主动热控 u扩热热管网络 u上升段热控策略加热与调姿 谢谢！谢谢！ ！ *28 结构和机构的功能结构和机构的功能: : 结构和机构分系统是安装、连接航天器的所有系统的仪 器设备和动力装置，提供机械支撑，使之机械定位，满足它 们所需要的环境要求，承受地面操作、发射轨道飞行和返回 地面时的载荷，并保持航天器的完整性。同时把航天器安装 到运载火箭上，为启动火工装置的分离动作创造条件。此外 ， 为了增加航天器的功能和扩大航天器在轨道上工作所需要的 尺寸，而同时又满足运载火箭整流罩的允许空间，许多航天 器都设计了可展开形式的结构，这种结构在发射时处于收拢 状态，在运载火箭的有限容积内（整流罩），发射飞行期间 锁定并保护航天器上的各种折叠部件（太阳电池阵、天线 等），通过机构在入轨后按程序再展开，到了空间展开成较 大的结构，使许多折叠的部件投入正常工作 *29 需要返回的航天器，它在返回过程中的具体任务要求是保 证返回舱在经过再入大气层的气动加热后，仍保证航天器的 返回舱结构的完整性，同时又必须使舱内的温度控