航天器仪器舱结构设计-放热设计

1、航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱设计仪器舱设计组长：宗 旭组员：马 浩 王 浩 於希乔 张波涛 韩成龙 郭 猛航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱概述1总体设计2构型设计3壳体设计4舱口设计5零部件设计6目录目录CONTENTS绝热设计7航天器仪器舱结构设计结构设计方法成员介绍和分工成员介绍和分工 宗 旭 王 浩 马 浩 郭 猛 韩成龙 张波涛 於希乔 国防科大航天学院 中国航天十一院 国防科大航天学院 航天员训练中心 中国航天六院 中国航天六院 结构仿真与设计 航空宇航科学 发动机结构完整性 航天服工程 航空宇航科学 航空宇航科学 成员分工、汇总、概述 仪器舱总体设计 仪器舱壳体设计

2、 仪器舱零部件设计 仪器舱舱口设计 仪器舱防热设计航天器仪器舱结构设计结构设计方法火箭火箭/ /导弹组成介绍导弹组成介绍l有效载荷l仪器舱l推进剂储箱l输送系统元件l级间段l发动机架l尾段航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱介绍仪器舱介绍u安装控制系统、安全系统、飞行测量系统、导航系统等大部分核心仪器设备，并提供安全稳定的工作环境u满足重要设备的工作要求、安装要求、适宜工作环境。如安装精度、底座刚度、舱内压力和温度等u维持良好气动外形，承受各种静、动载荷及环境条件的作用，保证弹体的结构完整性连接舱段与舱段的作用承受载荷作用作为通道散热等特殊作用航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱基本要求仪

3、器舱基本要求仪器舱部段结构应具有足够的强度与刚度，以便在各种静载荷和动载荷作用下不破坏，并减少对舱内设备安装精度的影响舱内有效空间大，便于安装大小不一、形状各异的多种仪器设备，并保证设备安装后的结构协调性开敞性好，外壳上要有各种舱口，方便检查、测量以及更换某些仪器设备时的操作其它特殊要求，如分离时应防碰撞等航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器仪器舱安装位置舱安装位置u远离热源u远离振源u传力路线合理u安装维护简便 单级火箭 火箭上部 火箭中部 火箭下部n 远离发动机和气动热产生部分，放在整流罩后n 仪器舱设在振动节点上n 独立舱段和级间段设计n 设置开口航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器仪器

4、舱设计特点舱设计特点p外形复杂外形复杂 原因：所连接的弹头与发动机往往直径不一致 困难：空间利用受到限制，结构协调问题多，给设计与制造带来一定的难度p承载复杂承载复杂 原因：载荷类型多，静载荷（轴压、弯矩、外压、集中力等）和动载荷（振动、冲击等） 困难：强度设计时需要考虑的力学问题较多航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱设计特点仪器舱设计特点p综合要求多综合要求多 原因：舱内空间要求、设备布局要求、舱口尺寸和位置 困难：形状设计时需要考虑的问题较多p使用要求多使用要求多 原因：各种设备对支架的要求各不相同，舱口设计影响结构受力，与强度要求矛盾 困难：需要兼顾，综合考虑航天器仪器舱结构设计结构

5、设计方法仪器舱概述1总体设计2构型设计3壳体设计4舱口设计5零部件设计6目录目录CONTENTS绝热设计7航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱总体设计仪器舱总体设计研制过程技术要求设计内容制造验收技术条件航天器仪器舱结构设计结构设计方法研制过程研制过程 导弹武器系统研制目的是实现使用方提出的战术技术指标要求。导弹武器系统的研制工作是一项复杂的系统工程，涉及到许多技术领域和部门，从设计方案的提出到成批生产和投入使用，要经过一个很长的过程。可把它分为若干阶段。可行性论证阶可行性论证阶段段方案阶段方案阶段初样阶段初样阶段试样阶段试样阶段设计定型设计定型生产定型生产定型航天器仪器舱结构设计结构设计方

6、法研制过程研制过程p 可行性论证阶段可行性论证阶段依据：战术技术要求 论证内容：作战使命、有效射程、导弹质量和轮廊尺寸、飞行速度、作战空域、命中精度、发射条件等，除此以外，有关制导方式、动力装置、战斗部，导弹几何尺寸、可靠性指标、使用环境、研制周期和费用论证结果：提出武器系统总体方案设想、可供选择的主要技术途径、可能达到的指标及必须进行的支撑性预研工作，研制周期、经费估算 提交报告：导弹系统研制总要求和研制任务书 航天器仪器舱结构设计结构设计方法研制过程研制过程p 方案阶段方案阶段依据：批准的战术技术指标 设计内容：对多种方案进行论证比较，优选出最佳的总体方案；提出对分系统的初步技术要求；统筹

7、规划大型试验项目及其保障条件，制定飞行试验的批次状态和分系统对接试验的技术状态和要求；制定型号质量与可靠性工作大纲、标准化大纲，及其他技术管理保障措施；确定研制程序和研制周期；概算研制经费。 提交报告：武器系统研制方案报告 航天器仪器舱结构设计结构设计方法研制过程研制过程p 初样阶段初样阶段目的：通过一定模拟条件下的试验，验证分系统和设备设计方案和可能达到的技术性能，为研制试验样机提供试验依据。 主要工作：进行总体和分系统的初样设计，完成试制工艺准备，进行静力弹、模样弹、振动弹初样试制，进行初样的各种试验，总体和分系统的协调，拟定试样技术状态。结束标志：完成初样实物，确定试样技术状态，总体向分

8、系统提出部组件设计任务书，提出飞行试验方案，上报初样研制报告。 航天器仪器舱结构设计结构设计方法研制过程研制过程p 试样阶段试样阶段目的：通过飞行试验检查样机的研制工作 。 主要工作：进行总体和分系统试样设计，进行模样弹（助推弹）、自控弹、自导弹等试样试制，完成各种状态试样的地面试验和飞行试验。 结束标志：完成研制性飞行试验，并达到飞行试验大纲的要求，编写飞行试验结果分析报告，提出型号设计定型技术状态，提出定型申请报告。 航天器仪器舱结构设计结构设计方法研制过程研制过程p 设计定型设计定型目的：对型号的设计实施鉴定和验收，全面检验武器系统战术技术指标和维护使用性能。 主要任务：完成型号定型的地

9、面试验和靶场飞行试验，根据飞行试验和各种鉴定性结果，全面检验导弹的性能指标，按照原批准的任务书评定武器系统的战术技术性能。 结束标志：按定型试验大纲要求完成飞行试验，提出型号设计定型报告以及型号研制总结报告。航天器仪器舱结构设计结构设计方法研制过程研制过程p 生产定型生产定型该阶段的主要任务:对产品的批量生产条件进行全面考核确认内容：1.符合批量生产的标准2.稳定质量、提高可靠性生产阶段的初期，应先经过小批量的试生产，待产品的生产质量稳定之后，通过生产定型，转入批量生产。 航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱总体设计仪器舱总体设计研制过程技术要求设计内容制造验收技术条件航天器仪器舱结构设计结

10、构设计方法技术要求技术要求 结构设计必须综合考虑总体设计、气动、工艺、使用、经济性等多方面的因素。虽然飞行器各部件功用不同，设计的技术要求也不尽相同，但为了设计出能综合考虑各方面设计因素的理想结构，使飞行器具有良好性能，结构设计必须遵守一些共同的设计技术要求。p使用维护要求p 经济性要求p 环境适应性等特殊要求p 空气动力要求p 强度、刚度与可靠性要求p 质量特性要求p 工艺性要求航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱总体设计仪器舱总体设计研制过程技术要求设计内容制造验收技术条件航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p结构形式选择及其原则p结构材料选择及其原则p结构制造工艺原则选择及

11、其原则航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则弹身结构形式薄壁结构（蒙皮骨架结构）硬壳式半硬壳式桁条式梁式、桁梁式整体结构构架式结构机械加工结构铸造结构、焊接结构施压结构航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则硬壳式结构硬壳式结构 这种结构的特点是没有纵向加强元件，整个舱段仅由蒙皮和隔框组成，蒙皮较厚，属于厚壁筒壳。这种结构的构造简单，装配工作量少，气动外形好，容易保证舱段的密封，有效容积大，由于蒙皮较厚结构具有较大抗扭刚度。缺点是承受纵向集中力的能力较弱，因蒙皮承受弯矩而利用率不高，不宜开

12、舱口，若必须开口，一般均应采用受力式口盖以补偿挖去的蒙皮。1-蒙皮；2-隔框航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则桁条式桁条式结构结构 这种结构的桁条较强，布置较密，能提高蒙皮的临界应力，从而使蒙皮除了能承受弹身的剪力和扭矩还能与桁条一起承受弹身的轴向力和弯矩。缺点是舱体上不宜开大型舱口，这是因为大型舱口会切断较多的受力元件。1-桁条； 2-蒙皮；3-隔框；4-桁梁航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则梁式梁式结构结构 这种结构中，梁是承受轴向力和弯矩的主要受力元件。优点是可以承受较大的

13、集中轴向力，并且可以在梁间开大舱口，缺点是蒙皮的材料不易充分利用。1-蒙皮； 2-梁；3-隔框航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则桁梁式桁梁式结构结构 这种结构是梁式和桁条式的折中结构，由较弱的梁（桁梁）和桁条、蒙皮、隔框组合而成，轴向力和弯矩主要由梁和桁条共同承受，蒙皮只承受剪力和扭矩。其特点是便于桁梁之间开舱口，能充分发挥各构件的承载能力，结构质量较轻。适用于大型弹身。1-桁条； 2-蒙皮；3-隔框；4-桁梁航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则整体整体式式结构结构 整体结构是将蒙

14、皮和骨架（梁、框、桁条）元件加工成一体的结构形式。这种结构形式除了具有半硬壳式结构的优点外，还具有强度、刚度好，结构整体性好，装配工作量少，外形质量高等优点。这种结构受到加工条件限制，主要用于直径不大的战术导弹舱体。 整体结构舱段具体形式主要有：机械加工圆筒结构、铸造结构、机械加工或机械加工圆筒结构、铸造结构、机械加工或化铣板材焊接结构、旋压壳体结构化铣板材焊接结构、旋压壳体结构等。航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则整体整体式结构式结构机械加工圆筒结构机械加工圆筒结构 这种结构一般是由厚壁管材作为毛坯，经过机械加工而成。在空-空导弹、反

15、坦克导弹、小型地-空导弹上主要采用这种结构。航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则整体整体式结构式结构机械加工或化铣板材焊接结构机械加工或化铣板材焊接结构 这种结构是由几块通过机械加工铣切或化学铣切成形的壁板弯曲后焊接而成的。舱体内表面有纵向和横向加强筋，分别起桁条和框的作用。在受集中力较大处或开口周围布置了较强的加强筋。航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则整体式结构整体式结构铸造结构、焊接结构铸造结构、焊接结构 如图所示是铸造整体结构。为保持外表面的质量和尺寸精度，常对外表面和两端连

16、接处进行机械加工。这种结构适合于各种中等直径的舱段。航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则整体式结构整体式结构施压结构施压结构 旋压结构是通过金属旋压加工方法形成的舱体结构。旋压结构舱体：内旋压舱、外旋压舱。1）内旋压舱b. 内旋舱体结构特点1. 舱内可布置（旋出）若干环形框（包括端框）2. 采用薄蒙皮3. 成件可组合安装舱段整体性好强度刚度大气动性能好工装通用性好a.内旋压舱体结构的优点航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则整体式结构整体式结构施压结构施压结构 旋压结构是通过金属旋压加

17、工方法形成的舱体结构。旋压结构舱体：内旋压舱、外旋压舱。1）内旋压舱 一般中等直径舱体，直径偏差可控制在 以内，蒙皮偏差可控制在 以内。c. 内旋压舱的尺寸精度0.2mm0.15mm航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则整体式结构整体式结构施压结构施压结构 旋压结构是通过金属旋压加工方法形成的舱体结构。旋压结构舱体：内旋压舱、外旋压舱。1）外旋压舱 外旋压舱由一个等厚薄壁旋压筒体再铆上端框、隔框、口框、支架和其它内、外部构件构成。典型结构如图所示，该舱为某型导弹的战斗部舱，舱体主要由外壳、内环框及端框组成。1-外旋压壳体；2-内部环框；3-

18、端框航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构形式选择及其原则结构形式选择及其原则构架式结构构架式结构 多级火箭级间过渡段常用构架式结构。构架式结构又称杆系结构，是由端框和数根杆形材料焊接而成的开敞式刚性构架。如图所示1.管子 2.底板 3.垫座 4.定位销 5.端框航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p结构形式选择及其原则p结构材料选择及其原则p结构制造工艺原则选择及其原则航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构材料选择结构材料选择及其原则及其原则 导弹的结构材料是导弹结构设计必需的物质基础。先进的结构设计必需要先进结构材料的支持。采用先进的材料对减

19、轻导弹质量，提高导弹结构工艺性，提高导弹的性能起着至关重要的作用。因此，要成功地完成导弹结构设计，必须对现代导弹结构材料性能、特点、最新成果、应用情况及发展趋势有全面的了解。本节仅介绍导弹结构材料的现状和选用原则，为弹体结构设计提供相关的材料科学基础。航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构材料选择结构材料选择及其原则及其原则 导弹结构使用的材料种类很多，按材料的功能可分为结构材料和功能材料；按材料的性质可分为金属材料、非金属材料和复合材料。导弹结构材料的分类与导弹结构材料的分类与现状现状 作用 材料选择 结构材料用来承受外载荷，保证结构的强度和刚度机械性能较高的金属、非金属材

20、料 功能材料着重利用其声、光、电、热、磁等项功能与效应在比重、导电、透无线电波、耐磨、绝热、防锈、弹性、吸振、粘结、涂敷、密封等方面有独特性能的材料。这些材料常常是各种非金属材料按功能分航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构材料选择结构材料选择及其原则及其原则 导弹结构使用的材料种类很多，按材料的功能可分为结构材料和功能材料；按材料的性质可分为金属材料、非金属材料和复合材料。导弹结构材料的分类与导弹结构材料的分类与现状现状按材料的性质分金属材料铝合金、镁合金、钛合金、高强度合金钢和不锈钢等非金属材料树脂基复合材料、金属基复合材料、防热材料、阻尼材料、密封材料、陶瓷材料、塑料、

21、隐身材料、梯度材料航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构材料选择结构材料选择及其原则及其原则导弹结构材料的选用原则导弹结构材料的选用原则（1）充分利用材料的机械性能（力学性能）、物理性能，使结构质量最小，刚度最好。因此，最基本的原则是在满足强度、刚度条件下，使结构质量最小。（2）选用的材料应能满足结构的技术要求 （3）材料要满足导弹结构的环境适应性要求，具有足够的环境稳定性。 （4）所选用材料应具有良好的工艺性能。 （5）选用的材料成本要低，来源要充足，供应要方便。 （6）优先选用已有型号导弹上已应用成熟的材料，对所选用的新材料其质量应稳定，应有验收标准，有良好的供应渠道，能

22、为设计、制造提供有关性能文件，并经试用合格。重要的零件还应规定代用材料。航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p 结构材料选择结构材料选择及其原则及其原则导弹结构设计中常用的材料导弹结构设计中常用的材料（1 1）黑色金属材料）黑色金属材料 （2 2）有色金属材料）有色金属材料（3 3）结构）结构复合材料复合材料（4 4）热）热防护材料防护材料（5 5）密封）密封材料材料（6 6）精密）精密合金及功能材料合金及功能材料航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容p结构形式选择及其原则p结构材料选择及其原则p结构制造工艺原则选择及其原则航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容

23、p 结构制造工艺原则选择及其原则结构制造工艺原则选择及其原则铆接、胶接、焊接。用于框、桁条和蒙皮之间的连接，虽然应用广泛比较成熟，但装配工作量大，生产周期长，品质不稳定，若无特殊需要，应尽量少用或者不用。化学铣切。用于加工整体式加筋壳体，各种加强件一般焊接在壳体上，虽然壳体加强筋根部产生圆角降低结构效率，但工艺过程简单，生产周期短，成本低，是目前采用较多的加工工艺。工艺种类工艺种类航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容机械铣切。用于加工整体式加劲壳体，可以消除加强筋根部圆角，也可以将端框在内的其它构件一起加工。但需采用五坐标数控铣床，价格昂贵。纤维缠绕复合成型。用于加工整体式复合材料

24、构件，周期短、成本低、工艺较成熟。但大开口补强问题和设备固定问题还有待从工艺上解决。工艺种类工艺种类p 结构制造工艺原则选择及其原则结构制造工艺原则选择及其原则航天器仪器舱结构设计结构设计方法设计内容设计内容工艺方案选择原则工艺方案选择原则采用成熟的工艺方案。能够较快投入生产研制，保证工艺品质良好、性能稳定。应具有良好的继承性。沿用前一型号的工艺方法、生产设备、工装夹具等，节省时间、降低成本。适应制造厂的生产能力和技术水平。根据制造厂的情况量力而行，如需技术改造要及时交流协调，必须采用新材料或新工艺时，要提早进行研究与试验，配合工厂进行攻关，完全掌握之后才可应用于实际。p 结构制造工艺原则选择

25、及其原则结构制造工艺原则选择及其原则航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱总体设计仪器舱总体设计研制过程技术要求设计内容制造验收技术条件航天器仪器舱结构设计结构设计方法制造验收技术制造验收技术条件条件技术条件对结构的内外品质、材料性质、工艺方法、标准选用及其他特殊技术要求进行全面规定，是设计、制造和试验的一种共同的技术依据，它与设计图纸一起才能保证零部件生产的正常进行，最终制造出合格产品生产中以图纸为基本依据，图纸上没有规定的在相应的技术条件中规定。验收时，以图纸和技术条件作为共同的验收指标。航天器仪器舱结构设计结构设计方法制造验收技术制造验收技术条件条件技术条件种类（与设计内容对应）l结构专

26、业技术条件l材料专业技术条件l工艺专用技术条件 各种技术条件主要针对新结构、新材料和新工艺制定，因为没有标准可供参考，或者已有标准不够完备，满足不了结构要求，需要进行补充。p 技术条件种类技术条件种类航天器仪器舱结构设计结构设计方法制造验收技术制造验收技术条件条件技术条件制定依据l导弹研制的指导思想。如新技术采用程度，研制周期和经费情况，是全新设计还是改进设计等。l结构设计选用标准文件的范围。一般是有关主管部门早已规定的，不得任意变动或更换。设计人员可以提出补充要求，经主管部门批准后才可采用。l相近结构的已有技术。某些技术要求无标准可依时，可参考其他相近技术文件，也可参考一些典型试验作为技术条

27、件制定依据。p 技术条件制定依据技术条件制定依据航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱概述1总体设计2构型设计3壳体设计4舱口设计5零部件设计6目录目录CONTENTS绝热设计7航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器仪器舱壳体设计舱壳体设计 仪器舱外形尺寸和舱口等由总体设计部门给定，结构设计人员考虑结构实现的可能性及对其它部件的影响。 几何尺寸、外载荷大小和结构形式确定后，可对结构做粗略估算，以求得壳体的初步参数。足够的静强度是一个基本要求，是设计的出发点，同时考虑稳定性要求和其它强度问题。 也要考虑工艺性、使用性、经济性。航天器仪器舱结构设计结构设计方法壳体主要承力元件设计壳体主要承力元件设计

28、l设计计算是对结构中主要受力构件的强度计算。l目的：按所受的载荷，确定元件的材料后，计算出主要受力元件的剖面尺寸，各重要接头连接件的数量等。l对于硬壳式结构或整体结构，其主要承力元件是蒙皮，加强框和纵梁。航天器仪器舱结构设计结构设计方法蒙皮厚度的确定蒙皮厚度的确定 航天器仪器舱结构设计结构设计方法蒙皮厚度的确定蒙皮厚度的确定 航天器仪器舱结构设计结构设计方法蒙皮厚度的确定蒙皮厚度的确定 （3）稳定性校核l稳定性校核一般是取最大剪应力校核蒙皮稳定性，其他复合状态一 般不进行。l稳定性校核一般按下列进行： a. 计算蒙皮的临界应力值 b. 蒙皮受压缩/剪切复合载荷时蒙皮稳定性航天器仪器舱结构设计结

29、构设计方法蒙皮厚度的确定蒙皮厚度的确定 航天器仪器舱结构设计结构设计方法57模型简化模型简化几何形状简化几何形状简化 为了在满足一定精度的条件下，能够较快地得到结果，设计估算方法应是比为了在满足一定精度的条件下，能够较快地得到结果，设计估算方法应是比较简单的公式，为此，需要做较多简化。较简单的公式，为此，需要做较多简化。 几何形状简化 略去受力不大的局部加强构件的影响，按典型标准的网格加筋壳计算。 由于是中长截锥，所以不考虑锥度效应，按当量圆筒壳计算。 中小舱口均略去，按圆形开口考虑。航天器仪器舱结构设计结构设计方法58模型简化模型简化受力特性简化受力特性简化 受力特性简化 在轴外压作用时，按

30、无矩理论、边界简支考虑。 在轴压、弯矩等多种载荷作用时，把弯矩载荷利用折合公式折合成轴向力，合并为一种轴向载荷 The2/heMTTTTM R式中式中 T纯轴向力（纯轴向力（N） TM弯矩折合轴向力（弯矩折合轴向力（N） M弯矩（弯矩（N m） R截锥体壳体平均半径（截锥体壳体平均半径（m）航天器仪器舱结构设计结构设计方法59模型简化模型简化受力特性简化受力特性简化 不考虑端部与端框之间的焊接效应（附加力矩），在以后的计算中另外加以修正，如将安全系数适当增大等。 壳体的设计轴向力定为*(2/)sjheTfTfTM R式中式中 Tsj壳体设计轴向力（壳体设计轴向力（N） f壳体安全系数壳体安全系

31、数航天器仪器舱结构设计结构设计方法60设计参数计算设计参数计算 计算依据 强度刚度要求，即在设计载荷作用下，壳体不能因应力超过强度极限而破坏，或者变形过大影响设备正常工作。 稳定性要求，即壳体在设计载荷作用下，不会丧失稳定性，尽量选择合理的加强件，使整体失稳载荷和局部失稳载荷大致相等。 承载时的应力越接近材料强度极限则材料利用越充分。结构的临界应力不应低于材料的屈服极限。航天器仪器舱结构设计结构设计方法61设计参数计算设计参数计算 计算公式 不考虑锥度效应，将截锥壳体按当量圆筒壳计算 当量圆筒的长度取截锥母线长度 半径取截锥的平均半径 轴向肋间距取截锥肋间距的最大值航天器仪器舱结构设计结构设计

32、方法62设计参数计算设计参数计算计算公式计算公式n在纯轴压作用时，壳体轴压失稳的临界应力0 xljpjtkER式中式中 k，修正系数修正系数 E材料弹性模量（材料弹性模量（Pa） t壳体厚度（壳体厚度（mm） Rpj截锥壳体平均半径（截锥壳体平均半径（mm） p 材料的比例极限（材料的比例极限（Pa） b 材料的强度极限（材料的强度极限（Pa）当当 0 xlj p时，要对进行塑性修正，得到塑性失稳临界应力时，要对进行塑性修正，得到塑性失稳临界应力00 xsljpbbpxlj航天器仪器舱结构设计结构设计方法63设计参数计算设计参数计算计算公式计算公式n在纯外压作用时，壳体总体失稳临界外压5 20

33、0.918pjljpjRtpELR式中式中 修正系数修正系数 E材料弹性模量（材料弹性模量（Pa） t壳体厚度（壳体厚度（mm） Rpj截锥壳体平均半径（截锥壳体平均半径（mm） L 壳体长度（壳体长度（mm）航天器仪器舱结构设计结构设计方法64设计参数计算设计参数计算计算公式计算公式n在轴压外压联合作用时，壳体总体失稳的临界应力001xljsjxljljpp式中式中 0 xlj纯轴压临界应力（纯轴压临界应力（Pa） psj设计外压（设计外压（Pa） p0lj单独外压的临界外压（单独外压的临界外压（Pa）当当 0 xlj p0pxljbbpxlj当当 0 xlj p航天器仪器舱结构设计结构设计

34、方法65设计参数计算设计参数计算计算公式计算公式n壳体的临界载荷2ljpj xxljTR t式中式中 tx强度折算厚度强度折算厚度 Rpj截锥壳体平均半径（截锥壳体平均半径（mm） xlj总体总体失稳临界应力（失稳临界应力（Pa） 航天器仪器舱结构设计结构设计方法66设计参数计算设计参数计算计算公式计算公式得出壳体总体失稳临界应力并满足了要求之后，还必须对网格蒙皮的局部稳定性进行校核计算，其局部临界应力应等于或稍大于总体失稳临界应力，以保证在总体临界载荷作用下不产生局部失稳。局部临界应力还应比壳体承载时的局部实际应力高些，否则容易产生局部失稳。航天器仪器舱结构设计结构设计方法计算机辅助设计计算

35、机辅助设计 航天器仪器舱结构设计结构设计方法多目标优化多目标优化 航天器仪器舱结构设计结构设计方法多目标优化举例多目标优化举例 航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱概述1总体设计2构型设计3壳体设计4舱口设计5零部件设计6目录目录CONTENTS绝热设计7航天器仪器舱结构设计结构设计方法内容内容弹（箭）体开口的种类舱口的分类口盖的分类舱口设计大口盖的稳定性计算本 章 内 容航天器仪器舱结构设计结构设计方法弹（箭）体开口的种类弹（箭）体开口的种类I.设备安装或更换舱口；II.发动机喷管和、反向喷管通过口；III.舱段对接连接件安装舱口；IV. 各弹（箭）载系统与地面设备间的机械、电器、气路、液

36、路等接口结构的安装口或通过口；V.地面检测、维修和发射准备等使用操作舱口。航天器仪器舱结构设计结构设计方法舱口的分类舱口的分类I.小舱口，一不需加强，只求外表光滑，避免锐角，以防应力集中。为安装口盖，舱口装有口框或铸造凸台。II.中舱口，对局部切断桁条和隔框情况，舱口周围应局部加强。a)用整体口框，有铸造和锻造制成，也可用板材弯曲或冲压成型。铸造或锻造整体框制造困难，质量大，强度刚度大；半弯或冲压整体框质量小，制造方便，但强度和刚度差。b)另一种加强方法是横向用加强隔框，纵向用加强桁条，加强桁条两端至少延伸一个框距，以使桁条逐渐参加受力。这种加强方法零件简单，工艺性好，刚性稍差。III.大舱口

37、，在舱口和口盖的边缘都要设置很强的桁条和框，口盖和口框须有足够强的连接以传递正应力和剪应力。航天器仪器舱结构设计结构设计方法口盖的分类口盖的分类口盖的分类按使用特征分类快速装卸口盖普通口盖按受力特性分类非受力口盖受力口盖航天器仪器舱结构设计结构设计方法口盖的分类口盖的分类p 按使用特征分类按使用特征分类快速装卸口盖：用于快速打开与关闭，操作简单，使用方便，但密封性不好，应用很少。普通口盖：采用整体螺纹连接或者多个连接点紧固件固定，连接强度高，可密封，但操作时间长。航天器仪器舱结构设计结构设计方法口盖的分类口盖的分类p 按受力特性分类按受力特性分类-受力式口盖受力式口盖 完全受力式口盖：为了能完

38、全替补舱体上被挖去的部分，结构上大致都采取与舱体相同或相近的结构、或稍有加强（如增加边框，加厚蒙皮等），纵、横骨架的布置则应与舱体骨架一一对应，口盖与舱口的口框用连接件相连1 舱体 2 口盖 3 螺钉 4 托板螺母 5 螺栓航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 按受力特性分类按受力特性分类-受力式口盖受力式口盖部分受力式口盖：口盖设计成只参加受剪而不参加受轴向力的口盖，这种口盖称为部分受力式口盖口盖的分类1 舱体 2 口盖 3 螺钉 4 托板螺母 5 螺栓航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 按受力特性分类按受力特性分类-受力式口盖受力式口盖口盖的分类口盖的分类 “萨姆-2”导弹仪器舱上的大型受力

39、式口盖（如上图），口盖结构与舱体一致，都是整体结构。 1 .舱体2 .口盖3 .螺栓 4 .锥形销5 .折返螺栓航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 关于完全受力式口盖强度计算的几点意见关于完全受力式口盖强度计算的几点意见口盖的分类口盖的分类I.由于口盖完全参加舱体受力，所以口盖和舱体可看成一个整体，即口盖的各种承载能力都可以按参加总体受力要求来计算。II.此外，还要进行下列计算：a) 当口盖处于弯曲受拉状态时，要对接头（如螺栓等）进行强度计算；b) 当口盖处于受压状态时，要对端面进行挤压强度计算；c)当口盖处于受剪状态时，要进行销钉（或螺钉）的剪切、挤压的强度计算。航天器仪器舱结构设计结构设计

40、方法p 关于完全受力式口盖强度计算的几点意见关于完全受力式口盖强度计算的几点意见口盖的分类口盖的分类 . 由于工艺制造等原因,口盖不可能达到理想的受力状态,因而口框和口盖的边缘应给以加强,因而需进行局部加强的强度计算。 这种口盖对缝处接头的受力可简述如下：1 舱体 2 口盖 3 螺钉 4 托板螺母航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 按受力特性分类按受力特性分类-非受力式口盖非受力式口盖口盖的分类口盖的分类不参加舱体总体受力、传力的口盖称为非受力式口盖。1、这种形式的口盖和舱口的边缘必须布置加接口框，以便通过加强口框来承受和传递挖口处的载荷；2、口盖仅起维形作用，即仅承受在口盖上的局部启动载荷。

41、因此这样的口盖与舱体的结合缝很简单，只要用很少几个定位螺钉或快卸钉、锁扣、铰链合页等连接在舱口上即可。对中型舱口则常用部分受力式口盖。航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 按受力特性分类按受力特性分类-非受力式口盖非受力式口盖口盖的分类口盖的分类 快卸口盖是由于某些设备有特殊要求，需要在导弹发射前测试、调整和检查而设置的。在小型口盖上常用的快速接头如上图所示，只要用手轻轻一压，就可立即打开口盖。快速拆卸口盖（按压式）航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 按受力特性分类按受力特性分类-非受力式口盖非受力式口盖口盖的分类口盖的分类 使用时，将螺丝刀嵌入槽内，往里一压再旋转，四根杆子就向圆心收缩并从口框

42、的四个孔中退出，即可取出口盖。为了防止口盖脱落，安装时寻找不便，用钢索将口盖连在舱体的口框上。快速拆卸口盖（旋转式）1. 舱体；2. 口框；3 .钢索；4 .杆子；5 .口盖；6 .定位铆钉航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 非受力式口盖强度计算非受力式口盖强度计算口盖的分类口盖的分类 对于非受力式口盖舱口的加强方式采用口框时，初步强度计算应作口框的强度计算。若口框近似为矩形，可简化为矩形，由于舱口不大，可以认为作用在四周的剪流相等，作用在两端的正应力相等。若口框近似为圆形，则可按圆形钢框计算。内力求出后，按其破坏形式进行强度估算。航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 中小舱口中小舱口舱口设计舱

43、口设计I.中小舱口一般制成圆形或椭圆形，计算壳体承载能力时，不考虑舱口和口盖的影响，壳体一般是偏于保守的设计。II.壳体原始板材一般较厚，舱口的加强框可以利用原板材厚度来补强。III.口盖尺寸受壳体直径和壁板厚度限制，尺寸过大会引起口框局部连接面厚度不一致，安装后会凹陷或者突出壳体表面，影响气动特性。航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 小舱口小舱口舱口设计舱口设计图（a）是用螺钉和托板螺母安装口盖的舱口，口框用薄板制造，它可以承托口盖，加强口边。口盖与口框之间设置海绵橡胶板和采用气密托板螺母保证密封。图（b）是采用螺纹连接的小型口盖，舱段上有带螺纹的口框和凸块，用O型密封圈密封，多用于整体结构

44、和铸造结构。航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 中舱口中舱口舱口设计舱口设计中舱口口框处局部加强，口盖与舱段用沉头螺钉和托级螺母连接，口盖与口框间用海绵橡胶板密封。中舱口（a）带铸造整体口框的中舱口（b）代板弯口框的中舱口航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 大舱口大舱口舱口设计舱口设计I.舱口最大尺寸达到弹体直径1/4时，认为是大舱口。设计时，从安全考虑，假定开口区不承受总体轴向力。II.口盖按承受外压和轴向力进行设计，轴向力按开口区部位承受的平均轴向力的1/31/2计算。III.大口盖通常为金属材料加筋板形式，其加工工艺与壳体相似。也可采用夹层结构（蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构）或者纤维增强复

45、合材料。航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 大舱口大舱口舱口设计舱口设计 图是大舱口与受力式大口盖额连接形式，其横向用折返螺栓连接，纵向用若干有螺钉和锥形销组成的连接件组相连接，保证口盖与舱段连接的紧密性，并将舱段上的横向加强筋连接起来。锥形销起定位作用和传递剪力与扭矩。航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 大舱口大舱口舱口设计舱口设计 图是另一种大舱口，口盖用波纹内蒙皮加强，边缘密集排布若干螺钉与舱体连接。结构简单，质量小。由于连接螺钉数目不多，不易快速拆卸。航天器仪器舱结构设计结构设计方法p 大舱口大舱口大口盖的稳定性计算大口盖的稳定性计算对于承受较大外压的大口盖，须按照外压进行强度和刚度计

46、算。计算时假设口盖为平板，刚度分布均匀，并把外压换算成径向压力计算。204.2/ljND RsjsjNp R航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱概述1总体设计2构型设计3壳体设计4舱口设计5零部件设计6目录目录CONTENTS绝热设计7航天器仪器舱结构设计结构设计方法仪器舱仪器舱主要结构零部件设计主要结构零部件设计隔框的设计计算舱体间连接件的设计纵梁的设计主要内容航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算隔框的功用： 维持外形。维持结构不变形，并将各舱段连接成一个整体。 支撑。作为蒙皮的支撑点，以提高蒙皮的稳定性。 承力。主要承受推力平面内的集中力和力矩。 由于工艺制造和设

47、计、使用要求，导弹结构需要分段，各段又要与发动机或者弹头连接，因此隔框是必不可少的。航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算 隔框的功用及其构造特点:普通框 连接框隔框加强框 端框的结构设计主要指对其剖面形式和尺寸的选择。这种选择从满足承载要求出发，同时考虑制造装配和使用方便的需要。航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算1） 普通框 普通框只起支持蒙皮、桁条，维持弹身外形的作用，作用载荷较小，一般可用铝板材压制而成。板材厚度按工艺要求确定时，强度往往有剩余，因此框缘上允许挖制穿越桁条的缺口，如图（a）所示。框缘剖面形状常见的有形、形、形等（如图（b）。

48、（a）普通框 （b）框缘的剖面结构航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算2） 加强框 加强框除了维持弹身外形，其主要的功用是承受弹身的横向集中载荷。它的构造也可分为装配式和整体式两类。装配式的加强框如下图所示。 1.框缘2.腹板3.加强件航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算 整体式加强框多用铸件或锻件机械加工而成。如下图所示。整体式加强框航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算各种加强框结构方案 影响加强框的结构设计和设计的因素： 导弹的外形 内部布置 集中力大小与性质 支持它们的盒段结构特点 有无大开口航天器仪器舱结构设计结构

49、设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算3） 连接框连接框的作用主要是用来连接不同舱体的。航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算（1）框的受力平衡1）普通框主要的功用是维持弹身的外形，框的受力较小，不需要作设计计算，剖面尺寸通常可按构造与工艺的要求确定。 2）加强框上的外载荷主要是作用在框平面内的各种形式的集中力，与之相连接的弹身蒙皮是框的支持，为框提供支反力（沿框缘的分布剪流）。 航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算 设框上作用一集中力P，蒙皮提供的平衡剪流为q，它是通过蒙皮与框连接的铆钉受剪产生的。 平衡剪流的分布规律为： sin/qPR 在集中力

50、作用下框的受力平衡航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算（2）框剖面的强度计算 框剖面的正应力必须满足以下强度条件：bljMNYJF或 框的内力中弯矩常常是主要的，因剪力与轴向力的数量级较小，所以在设计时，有时只用弯矩引起的正应力来确定框缘剖面的尺寸，即可用下式：maxbljMW或 至于剖面中剪力用以确定框腹板的剖面尺寸，这样腹板内的剪应力应满足:bl jreQh或（取二者中较小值） 航天器仪器舱结构设计结构设计方法隔框的设计计算隔框的设计计算 对于加强框，一般说弯矩是主要的，当框剖面的尺寸能满足弯曲应力的强度条件时，往往剪切强度自然得到满足。最后框剖面的剩余强度系数可表

51、示为:)maxblj(或 由前所述将加强框简化为刚框计算，偏于保守，故在实际设计中有时计算得 1；若 接近0.9，一般情况下尚可认为能满足强度要求，有时甚至还可再小些。航天器仪器舱结构设计结构设计方法舱体间连接件的设计舱体间连接件的设计1 1 套接套接（1）径向单排螺钉连接 两相邻舱段的连接框分别加工成圆柱的内、外表面，利用它们的配合面进行套接，然后沿圆周用径向螺钉进行连接固定。 1.2.连接框3.螺钉4.托板螺母5.密封圈航天器仪器舱结构设计结构设计方法舱体间连接件的设计舱体间连接件的设计（2）游动锥形螺母连接 1.2.连接框3.4.密封圈5.螺钉6.游动锥形螺母本体7.盖子8.锥形销9.销

52、钉航天器仪器舱结构设计结构设计方法舱体间连接件的设计舱体间连接件的设计（1）轴向盘式连接 1.2.连接框3.密封圈4.螺母5.螺栓6.垫片 两舱段相邻连接框的端面对合，连接件有销钉、螺栓（或仅用螺栓无销钉）。 2 2 盘式连接盘式连接航天器仪器舱结构设计结构设计方法舱体间连接件的设计舱体间连接件的设计 受剪螺栓和销钉的配合精度一般为6级或9级精度动配合，常用钻模来保证它们的位置准确度。钻模上导孔之间的角度误差一般不大于 (图1),以保证错移偏差和扭转偏差在允许的范围内。销钉的前端设计成导向用的150小锥度（图2），销钉伸出长度应大于螺栓长度。销钉的作用是定位。 图1连接框销钉螺栓图2航天器仪器

53、舱结构设计结构设计方法舱体间连接件的设计舱体间连接件的设计 连接螺栓相对于弹身轴线倾斜了一个角度（如下图），螺栓与弹身轴线之夹角常用150200。这种连接形式常用于要求在舱体外进行快速连接、拆卸，载荷较小的头部舱段。1，2 连接框 3 密封圈 4 螺母 5 螺栓（2）斜向盘式连接航天器仪器舱结构设计结构设计方法舱体间连接件的设计舱体间连接件的设计（3）折返螺栓连接 折返螺栓连接本质上仍是轴向盘式连接。 采用折返螺栓的目的是为了装拆方便。其缺点是结构复杂，连接框的框缘要开槽孔，框的强度，刚度降低，一般只适用于经常拆卸的舱段间连接。航天器仪器舱结构设计结构设计方法纵梁的设计纵梁的设计 梁的功用梁的

54、功用 承受导弹起吊等集中力，并逐步扩散到蒙皮。 固定大型支架，用来安装大型仪器设备。 梁的材料与连接梁的材料与连接 梁可以采用强度较高的材料 与壁板采用机械连接或者焊接，焊接时必须采用与壁板材料可焊接性好的同类材料。航天器仪器舱结构设计结构设计方法纵梁的设计纵梁的设计 梁承受的力主要是拉伸载荷或压缩载荷以及弯曲载荷。设计时除考虑梁的承载作用外，还要考虑支架安装方便，减少占据的空间也是十分重要的。因此梁的剖面形式通常选用L、形，其形状应便于通过接头与端框和大型支架相连接。610)/(bnTF式中 F梁的剖面面积（mm2）； T梁承受的轴向设计载荷； b 梁材料的极限强度（Pa）； n梁的根数。 这样的设计计算偏于保守，没有考虑蒙皮受力，因此仅用来初步确定梁的剖面尺寸。梁的剖面尺寸按下列公式计算：航天器仪器舱结构设计结构设计方法纵梁的设计纵梁的设计纵梁稳定性的计算纵梁稳定性的计算 纵梁的稳定