第3章-卫星材料

2020年6月7日,1,第四节航天器结构设计流程,2020年6月7日,2,2020年6月7日,3,1。传统结构设计：。直到满意2。结构优化设计：以计算机为工具，将非线性数学规划理论与结构力学分析方法相结合，用于受各种条件限制的承载结构设计。,第五节航天器结构设计方法,初始设计,设计调整,再分析,结构分析,再调整,2020年6月7日,4,结构优化可表示为非线性数学规划问题：,特点1。隐函数特点2。变量数目多3。约束数目多,第三章航天器常用材料,2020年6月7日,6,第一节卫星结构材料的要求,选用材料通常应考虑下列各种因素，折衷平衡进行筛选：结构受载情况温度环境特殊性能要求材料性能材料的空间辐照环境效应市场供应情况等,2020年6月7日,7,材料具体要求：质量轻；模量高，比模量大；强度高，比强度大；应满足低温和高温要求；延性大；空间环境下性能退化小；空间环境下放气率尽量小；热膨胀性能；导热性能；电性能；工艺性。,航天材料真空放气率要求,注:*按欧洲空间局试验规范PSS-01-102方法A测定；*按PSS-01-702方法B测定。,2020年6月7日,9,第二节空间环境对材料的影响,1。真空使材料表面吸附的气体解析；促使固体材料升华。,2020年6月7日,10,2。带电粒子辐射主要指电子、质子和粒子的辐射。（1）空间辐射环境对金属和陶瓷材料的机械、电学等性能不会产生明显的有害影响，而对光学玻璃等透明材料，会影响材料的透过率。（2）空间辐射环境会使合成材料的高分子发生交联和断链，影响高分子的规整性和结晶度，使聚合物在机械、光、电等性能发生明显变化。,材料的辐照性能,2020年6月7日,12,紫外辐射对柔性结构底材（太阳能电池阵基板）的弹性模量、延伸率、温控材料热学性能和光学材料（窗透镜、滤光片、盖片玻璃等）的光学性能会产生显著影响。低能等离子体等离子体环境：电子、离子、带电粒子流。卫星表面会出现不等量的充电（电位可高达万伏以上）。当带电超过一定强度时，会发生击穿放电，损伤表面材料。伴随产生电磁脉冲会干扰电子线路。,2020年6月7日,13,空间热环境等通常在不采取热控措施的星体表面，温度可在200范围内变动，在有热控措施的星体表面可在100，而舱内温度在2050范围内波动。由于受冷热交变的环境，会对有些材料性能产生不良影响，如导致复合材料脱层等。,2020年6月7日,14,第三节金属材料,常用的金属材料有：铝合金（如LY12,LF6,LD10等）镁合金（如ZM-5,ZM-6等）钢（如25,45,30CrMnSiA,1Cr18Ni9Ti等）钛合金（如TC4,TA7,TB2等）铍及铍合金高温、耐熔合金（如Nb-752,T2M等）,2020年6月7日,15,金属材料的特点：强度高弹性模量高稳定性好加工工艺性能好材料规格齐全,通常用于：本体结构支承结构压力容器各种连接件和机构零件。,2020年6月7日,16,第四节复合材料,增强基玻璃纤维或织物碳纤维（石墨纤维）或织物芳纶（Kevlar纤维）或织物涤纶织物硼纤维碳化硅纤维（Sic）碳化硅颗粒,复合材料是由增强基与基体复合而成的。,基体塑料热固性树脂（环氧、酚醛树脂等）热塑性树脂金属铝合金镁合金钛合金,2020年6月7日,17,卫星结构中常用的复合材料有：玻璃纤维环氧树脂石墨（或碳）纤维环氧树脂芳纶纤维环氧树脂涤纶织物酚醛树脂硼纤维Al,Sic纤维（或颗粒）Al等。,2020年6月7日,18,复合材料特点：高的比模量高的比强度值极小的热变形材料可设计性,复合材料应用：本体结构太阳电池阵结构天线结构内压容器杆及支架结构防热结构的烧蚀材料。,第四章典型航天器结构部件,第一节蜂窝夹层板结构,2020年6月7日,20,1蜂窝夹层结构组成,2020年6月7日,21,2020年6月7日,22,面板金属材料：铝合金复合材料：碳纤维，凯芙拉，玻璃布等蜂窝芯铝蜂窝，芳纶纸蜂窝等由于空间环境的要求，航天器结构的蜂窝设计时必须注意开槽或芯格的通气。胶粘剂面板与蜂窝用：J47D底胶，J47C胶膜蜂窝芯子用：J47D发泡胶蜂窝芯子与埋件：灌注胶,2020年6月7日,23,2蜂窝夹层结构的应用,外壁；板式构架（主承力）；太阳翼基板平面阵天线的基板；抛物面天线；反射器。,2020年6月7日,24,风云3卫星舱段集成,2020年6月7日,25,TypeofCylindricalshelladjust,2020年6月7日,26,有限元分析建模,2020年6月7日,27,东方红3结构系统部件,2020年6月7日,28,卫星帆板,2020年6月7日,29,有合成孔径雷达平面阵天线欧洲资源卫星日本地球资源卫星,2020年6月7日,30,抛物面天线美数据中继卫星（SDS）,2020年6月7日,31,长曲棍球照相侦察卫星,2020年6月7日,32,3蜂窝夹层结构的力学特性,（1）面板承受弯矩，应力沿厚度均布（2）横向剪切主要由芯子承担，剪切变形不能忽略（3）芯子具有支持面板避免失稳作用,2020年6月7日,33,蜂窝板模量：,（1）面板与一般板或叠层一样计算；（2）蜂窝芯子模量E、G芯子材料弹性模量和剪切模量；芯子壁厚；r蜂窝边长,2020年6月7日,34,4蜂窝夹层结构的破坏模式,2020年6月7日,35,整体失稳：面板厚度不够；芯子剪切刚度低；弯曲刚度不够。剪切皱损：芯子剪切模量低（横向剪切破坏）；胶粘剂剪切强度不够。面板起皱：胶粘剂拉伸强度不够（外凸）芯子压缩强度不够（凹陷）板面破裂：面板厚度不够（强度）,2020年6月7日,36,横向剪切破坏：芯子剪切强度、刚度低芯子局部压损：芯子压缩强度太小面板格间凹陷：蜂窝格子太大。,2020年6月7日,37,5蜂窝夹层结构的连接和集中力传递原则：避免直接集中力传递,2020年6月7日,38,（1）埋件直接连接,2020年6月7日,39,（2）连接角片连接,2020年6月7日,40,2020年6月7日,41,蜂窝夹面板大集中力埋件及传力,第三章航天器常用材料,第一节卫星结构材料的要求,选用材料通常应考虑的因素,材料具体要求,2020年6月7日,43,第二节空间环境对材料的影响,1。真空,2。带电粒子辐射,3。紫外辐射4。低能等离子体,5。空间热环境等,2020年6月7日,44,第三节金属材料,常用的金属材料,金属材料的特点,金属材料的应用,第四节复合材料,复合材料是由增强基与基体复合而成的。,卫星结构中常用的复合材料,复合材料特点,复合材料应用,第四章典型航天器结构部件,第一节蜂窝夹层板结构,1蜂窝夹层结构组成,2蜂窝夹层结构的应用,3蜂窝夹层结构的力学特性,4蜂窝夹层结构的破坏模式,5蜂窝夹层结构的连接和集中力传递原则：避免直接集中力传递,第四章典型航天器结构部件,第二节中心承力筒,1种类：光壳网格壳波纹壳桁条加筋壳蜂窝壳,2020年6月7日,47,中心承力筒结构实例,筒体蒙皮材料金属优选铝合金复合材料：碳纤维，环氧铺层设计：0，90，（正负）45度；铺层百分比不小于6-10缠绕成型：0度方向以近似方向代替；厚度台阶宽度=5mm；开口补强,2020年6月7日,49,中心承力筒加劲桁条实例,a.角形b.T形c.帽形,2020年6月7日,50,蜂窝夹层中心承力筒通过端框的连接,2020年6月7日,51,第四章典型航天器结构部件,第三节杆系结构,2020年6月7日,53,杆系结构的功能,杆系结构可用于建立大型空间站（如自由号）的主龙骨结构，用于一些大型空间望远镜的主结构（如哈勃空间望远镜、STARS望远镜），也用于一些卫星的次结构以及辅助的支撑、连接结构（如“卡西尼”土星探测器、“斯波特”遥感卫星等）。,1。主龙骨结构2。主结构3。次结构（支撑结构）。4。连接结构（特殊功能结构）,杆系形式：（1）桁架，（2）刚架材料选择：（1）金属，（2）复合材料接头形式：（1）胶接（2）螺接（3）焊接,2020年6月7日,55,国际空间站主龙骨结构,2020年6月7日,56,作为主结构的应用,2020年6月7日,57,作为支撑结构,2020年6月7日,58,作为辅助连接结构-“卡西尼”土星探测器,2020年6月7日,59,外伸杆,2020年6月7日,60,盘压杆,盘压杆是一种可伸展和收拢的格柱状桁架，由纵梁、横向支架和对角件等组成，如图所示。纵梁为连续的细长弹性杆，长度与桁架长度相同；横向支架是在垂直于纵梁平面内的框架，与纵梁铰接；对角件是位于每一格柱侧面呈交叉的斜拉绳索，绳索张力通过三角状框架的预设翘曲变形予以施加。,2020年6月7日,61,盘压杆,纵梁和三角状或Y型框架横杆形变较大，需应用弹性弯曲变形能力较强的抗蠕变材料，推荐采用s玻璃纤维/环氧树脂复合材料。,2020年6月7日,62,盘压杆,2020年6月7日,63,连续纵杆一般为圆形界面，盘压时杆的极限弹性应变，其中d为杆直径，R为盘绕半径，为纵杆应变美国设计盘压杆桁架时，连续纵杆的极限弹性应变取为0.015从公式可以看出，由于R受卫星尺寸限制，越大，则杆直径越大，从而带来刚性的提高。,盘压杆材料要求,2020年6月7日,64,盘压杆的应用,日本探月卫星“月亮女神”于北京时间14日上午9点31分发射升空。这是日本2025年建立载人太空站目标的第一步。,“月亮女神”将围绕地球飞行两圈，然后飞往月球，最后进入月球轨道。“月亮女神”的主轨道器与中继卫星和VRAD卫星分离，对月球表面展开为期一年的观测，在月球南北两极之间100公里上空圆形轨道上飞行。而两个小型卫星则在不同的椭圆形轨道上循环飞行，观测月球。,“月亮女神”探月卫星模拟图,“月亮女神”探月卫星模拟图,2020年6月7日,68,奥林巴斯太空桅杆,2020年6月7日,69,天基光学干涉仪（精密结构智能结构技术）,2020年6月7日,70,2020年6月7日,71,HoneyWell试验床,2020年6月7日,72,2020年6月7日,73,第四章典型航天器结构部件,第二节中心承力筒,1种类：光壳;网格壳;波纹壳;桁条加筋壳;蜂窝壳,第三节杆系结构,1。主龙骨结构2。主结构3。次结构（支撑结构）。4。连接结构（特殊功能结构）,杆系形式：（1）桁架，（2）刚架材料选择：（1）金属，（2）复合材料接头形式：（1）胶接（2）螺接（3）焊接,2020年6月7日,76,盘压杆,2020年6月7日,77,第四节太阳翼机构与结构,太阳电池阵（SolarCellArray）是由许多太阳电池组成的阵列。太阳电池可把空间轨道上的太阳光能转换为电能，以供卫星使用。由于太阳电池阵具有功率大、寿命长、质量小、构造简单可靠等一系列优点，很适用于作为卫星的空间电源，特别是长寿命卫星的电源。,2020年6月7日,78,太阳翼机构与结构,太阳电池阵分类体装式太阳电池阵展开式太阳电池阵a）太阳桨（SolarPaddel）b）太阳翼（SolarWing）,2020年6月7日,79,太阳阵分类,太阳电池阵,体装式,展开式,多面体,圆柱形,太阳桨,太阳翼,刚性基板,折叠式,卷式,刚性基板,半刚性基板,柔性基板,2020年6月7日,80,体装式太阳阵,2020年6月7日,81,展开式太阳阵,帕拉帕C（palapa-c）卫星(印尼等),2020年6月7日,82,体装式太阳电池阵,2020年6月7日,83,太阳桨（SolarPaddel）,2020年6月7日,84,日本通信卫星（JCSat）太阳翼,2020年6月7日,85,折叠式-太阳翼,2020年6月7日,86,卷式-太阳翼,哈勃太空望远镜,2020年6月7日,87,半刚性基板,航天飞机上的太阳电池柔性基板,2020年6月7日,88,空间站太阳翼,2020年6月7日,89,太阳帆板展开机构,2020年6月7日,90,太阳帆板展开机构,1。太阳翼结构（1）刚性基板（2）柔性基板（3）半刚性基板2。太阳翼机构（1）压紧与释放机构压紧杆，切割器（2）展开机构根部铰链，板间铰，绳索联动系统（3）驱动机构电机，齿轮传动装置（包括传动轴系和轴承）对日定向,2020年6月7日,91,太阳阵根部铰链实例,2020年6月7日,92,太阳阵板间铰链实例,2020年6月7日,93,太阳翼展开试验,1。试验目的（1）验证释放功能（2）验证展开功能（3）验证展开的力学特性（4）验证展开后的对准性（5）检查展开锁定冲击对设备和结构的影响2。试验设备（1）吊挂展开架（2）气浮展开装置,2020年6月7日,94,太阳帆板展开试验及试验架,2020年6月7日,95,太阳翼展开试验,3。试验实施（1）试验环境条件（视情况部分模拟空间环境）（2）释放方式手动释放，部分火工切割释放，全部部火工切割释放（3）试验测量展开时间，展开过程中各板夹角变化，联动绳索张力，锁紧状态，外观和电性能情况等。,2020年6月7日,96,构架式天线,2020年6月7日,97,抛物面天线美数据中继卫星（SDS）,2020年6月7日,98,长曲棍球照相侦察卫星,2020年6月7日,99,环形桁架可展开天线反射器,环形桁架可展开天线反射器由前张力索网、金属反射网、张力弹簧阵、环形展开桁架和后张力索网组成。,2020年6月7日,100,环形桁架可展开天线反射器,前后张力索网固定在环形展开桁架上，相应节点通过张力弹簧阵连接，当环形展开桁架完全展开时，张力索网被张紧。前张力索网确定了天线反射面的形状。加大张力索网节点密度，反射面型面精度随之提高，但张力弹簧的数量也随之增大。,2020年6月7日,101,Thruaya-1卫星,2020年6月7日,102,太阳电池阵体装式展开式多面体圆柱形太阳桨太阳翼刚性基板折叠式卷式刚性基数半刚性基板柔性基板,太阳电池阵体装式展开式多面体圆柱形太阳桨太阳翼刚性基板折叠式卷式刚性基数半刚性基板柔性基板,复习提纲1.简述卫星结构系统的功能；2.简述卫星结构设计的过程和设计原则。3.卫星的总装和安装要求包括哪些内容？4.卫星的构形有哪些主要类型，请画出它们的示意图。5.航天器结构材料有哪些主要要求？6.试述空间环境对航天器结构材料的影响。7.简述航天器所处的各种环境及在各环境下的载荷。8.试述航天器结构的蜂窝夹层板组成及其力学特性。为什么航天器蜂窝板设计时必须注意开槽或芯格的通气？什么情况下蜂窝板中要采用埋件？。,2020年6月7日,103,1。结构分析与有限元素法的基本概念,结构分析是指计算求解结构系统在各种静、动态载荷（包括温度）条件下其应力、变形分布、振动模态、频率等响应。,2020年6月7日,104,结构分析的目的,(1)回答：结构系统是否安全可靠？(2)结构设计的基础。回答：结构系统是要改进吗？如需要则哪里应该改？,2020年6月7日,105,与结构分析有关的课程,(1)弹性力学，塑性力学,2020年6月7日,106,板的动力学基本方程,解方程及困难，只有很少量简单问题有封闭解。,2020年6月7日,107,(2)材料力学研究杆、梁的应力、变形问题(3)结构力学研究由杆、梁、经简化薄板组