卫星结构设计与分析(下)李建辉

卫星结构设计与分析（下）汇报人：李建辉2018年9月15日当前1页，总共42页。目录第七章杆系结构第八章板式结构第九章

中心承力筒结构第十章密封舱结构第十一章放热结构第十二章太阳翼结构和机构第十三章天线结构和机构第十四章连接与分离机构当前2页，总共42页。1、杆系结构杆系结构的基本形式桁架钢架连接方式铰结点刚结点静定桁架静不定桁架静不定综合考虑刚度、振动模态及结构质量决定使用合理杆系设计当前3页，总共42页。1、杆系结构杆系结构的设计材料选择结构选择整体构型试验验证接头设计桁架金属碳纤维复合材料胶结接头螺接接头焊接接头整体力学接头强度形变更小的质量更优的性能当前4页，总共42页。2、板式结构板式结构中心承力筒服务仓主框架板式结构是构成整星基础结构件，满足整星强度、刚度，和热防护，维持卫星的外部构型，大型附件结构等，例如天线、太阳翼。当前5页，总共42页。2、板式结构-蜂窝夹层蜂窝夹层板结构：面板、蜂窝芯子、胶黏剂当前6页，总共42页。HexWeb®蜂窝关键产品：HexWeb®HRP-C玻璃纤维核心用于飞机机舱应用HexWeb®HDC重密度玻璃纤维用于蜂窝夹层板里的嵌铸替代品铝芯：5052或5056合金配CRIII或CRPAA腐蚀处理方案芳纶/对位芳纶（诺梅克斯和凯夫拉尔纤维）核芯加上酚浸涂玻璃：用酚醛或尼龙浸渍涂敷Flexcore用于高波状外形的应用当前7页，总共42页。2、板式结构-框架板式框架板式：板式通过增加梁构件，增强强度刚度，能适应多种接口蜂窝结构的连接当前8页，总共42页。3、中心承力筒设计壳体主承力结构主要有两类：1、中心承力筒2、舱段壳体当前9页，总共42页。3、中心承力筒设计结构形式光壳结构网格加筋波纹壳桁条加筋蜂窝夹层当前10页，总共42页。桁条加筋中心筒金属桁条加筋承力筒分析筒体失稳分析曲面失稳桁条失稳整体失稳下框稳定性分析连接强度分析复合材料：对于较密均匀分布桁条的复合材料桁条加筋，可采用结构均匀化的分析方法。当前11页，总共42页。蜂窝夹层中心筒当前12页，总共42页。4、密封舱结构航天器的密封舱是指航天员或舱内有效载荷等仪器设备的需要，在运行时舱内需要维持一定压力的舱段。当前13页，总共42页。4、密封舱结构功能密封承载提供内部仪器的布局空间支撑和定位仪器设备舱段对接设计和工艺的基准防尘、隔热和接地等组成壳段封顶舱门密封法兰设计要求密封要求质量要求强度要求刚度要求可靠性要求安装要求对接要求功能要求当前14页，总共42页。密封舱连接处结构设计密封设计1、接触面泄露2、渗透泄露3、破坏性泄露密封材料选择：橡胶密封形式:a、密封圈b、b型密封圈c、矩形密封圈d、T型密封圈当前15页，总共42页。密封舱的试验验证1234力学试验热真空试验验收试验检漏试验方法1、静强度：水压试验2、动强度：振动响应在全星热真空试验中考验密封能力和实际泄露率为确保安全可靠，密封舱总妆前需进行水压气密验收试验。目的是评价与验证密封舱的漏率是否满足要求，暴露密封材料、密封结构、加工及装配缺陷当前16页，总共42页。5、防热结构卫星防热结构设计的任务：设计出一种能经受对流加热和激波辐射的气动加热方式，防止返回舱发生过热和烧毁的结构。蒙皮吸热辐射防热焼蚀吸热陶瓷纤维烧制的纤维砖辐射防热防热结构发展是需求发展史，也是一部材料发展史当前17页，总共42页。吸热防热结构吸热防热结构最重要的考虑是热容量，结合质量、经济性、环境需求等，大约有如下要求：1、高比热容2、热导率大3、热扩散系数大4、耐高温当前18页，总共42页。辐射防热结构当前19页，总共42页。烧蚀防热结构烧蚀过程发生化学物理现象，从而吸热：1、原始材料层2、热解层3、炭化层4、炭层表面当前20页，总共42页。烧蚀防热结构1热解温度低，热解温度达2气化分数高3热解气体尽可能高的比热容4材料及炭层密度小5热解后炭层表面辐射高当前21页，总共42页。防热机构试验验证环境考验发射段：主要是过载、冲击、噪声、振动等力学轨道运行段：主要是高、低温交变及真空、辐射环境再入大气层段：主要是气动加热及对应的气动力。再入段环境最复杂。材料筛选试验：驻点烧蚀防热结构匹配：1、测定烧蚀层与解雇层膨胀匹配

背靠背平板实验2、确定零应力温度的实验

扰度法防热结构的再入气动加热模拟试验：1、石英灯辐射加热2、燃气加热风洞当前22页，总共42页。6、太阳翼结构与机构太阳电池阵多面体展开式体装式圆柱形卷式刚性基板太阳桨太阳翼半刚性刚性基板折叠式柔性基板柔性基板当前23页，总共42页。太阳翼结构的设计分析太阳翼不需要承受主要载荷，因此可以设计成更轻型的结构形式，主要有：

1、基板的构型设计

基板外形和板上压紧点2、基板的结构设计

蜂窝夹层结构、碳纤维复合材料作为面板，3、连接架设计

连接架长度一般可取为基板板宽的一半，使得连接点为基板中心。设计分析与其他结构类似，主要有：折叠展开状态模态分析、折叠展开状态振动响应、折叠状态噪声响应、静载分析、展开锁定时的冲击载荷、太阳翼强度分析（基板、连接处、压紧点）当前24页，总共42页。太阳翼机构的设计分析太阳翼机构是卫星的活动部件，增加了卫星的复杂性和风险性，所以机构的设计和设计显得相当重要。刚性折叠式太阳翼：1、压紧和释放机构

压紧杆设计压紧衬套设计

火工切割器2、展开机构铰链和绳索联动系统3、太阳翼驱动结构

一方面驱动太阳翼转动，一方面太阳能功率输送。当前25页，总共42页。1、驱动弹簧2、联动绳索3、关节轴承的配合游隙4、铰链摩擦阻力5、连接电缆阻力6、压紧杆加载验证7、压紧释放功能试验8、基板噪声为了验证太阳翼结构的设计和分析，以及检验太阳翼产品的工艺一致性：1、噪声试验2、正弦振动太阳翼展开最主要试验项目零重力太阳翼结构和机构设计的试验验证太阳翼展开试验太阳翼力学性能太阳星关键零部件性能当前26页，总共42页。7、天线结构和机构卫星天线是自由空间中传播的无线电波与传输线中传输电信号之间的转换器。两个功能：1、传输线与自由空间阻抗匹配，2、实现电磁波想特定方向的辐射。太阳翼与天线阵列展开后的想象图天线形式分类：1、线天线2、喇叭天线3、反射面天线4、阵列天线当前27页，总共42页。天线机构短期使用机构：天线展开机构压紧/释放机构定位机构长期使用机构：天线消旋机构天线指向机构天线扫描机构

天线跟踪机构当前28页，总共42页。天线结构和机构设计明确天线结构和机构要求天线结构和机构的方案设计天线形式的确定和构型方案设计天线结构和机构零部件设计天线结构和机构的详细设计半刚性反射面天线结构和机构柔性反射面天线结构和机构刚性反射面天线的结构和机构设计1、反射面结构设计2、天线机构1、可调整薄膜反射面（高精度）2、自回弹天线反射面（大口径）1、径向肋天线2、架构式天线当前29页，总共42页。天线结构和机构的分析验证天线结构和机构的分析结构力学分析刚度强度结构热分析温度场分析热变形和热应力天线机构动力学初始条件运动学仿真静平衡动态分析线性分析当前30页，总共42页。8、连接与分离连接与分离机构是实现航天器本体和部件之间、舱段之间、航天器与运载火箭之间及航天器之间牢固连接，又可以按规定实现解锁与分离的装置。

主要作用：连接，解锁，分离，

类型：机械，电路，气路与液路连接与分离连接于分离系统连接于解锁部件分离部件附件爆炸螺栓火工分离推杆电路分离插头火工螺母弹簧分离推杆气路分离接头燃气驱动火工锁分离弹簧液路分离接头爆炸螺栓式火工锁固体分离火箭导向销钢珠式火工锁气体喷管砌块式火工锁气动作动筒聚能切割索和导爆管式分离装置当前31页，总共42页。火工装置在外部作用（发火原件），利用主装药燃烧或爆炸产生的能量驱动功能组件，完成规定功能的装置。

具有能量大、体积最小、使用方便的特点。但也有安全性性能差、对结构冲击大、产生有害气体等缺点。常用火工装置分类类型种类形式动力源用途爆炸螺栓电爆炸螺栓切口槽式火药连接、解锁剪切销式钢球活塞式无污染式非电爆炸螺栓同电爆炸螺栓非电起爆燃气驱动的火工装置解锁螺母套筒式解锁螺母燃气连接、解锁活塞式解锁螺母火工锁小承载能力火工锁折断式燃气连接、解锁钢球式起爆器直接起爆驱动活塞燃气发生器间接驱动活塞剪切碟式燃气大承载能力火工锁砌块式滑块式爆炸螺栓解锁式火药分离火工分离推杆燃气当前32页，总共42页。爆炸螺栓、燃气驱动的火工爆炸螺栓燃气驱动当前33页，总共42页。星箭连接与分离机构的设计和分析爆炸螺栓包带连接释放装置当前34页，总共42页。舱段连接与分离机构连接设计与分析舱段分离的设计和分析连接部件的选择舱段连接分析分离系统分离装置的形式设计要求1火工分离（弹射筒）2弹簧分离3大承载力火工锁4分离火箭1分离后姿态与速度2解锁与分离时序3减小冲击和噪声4解锁与分离同步5考虑质量特性及分离特性1、起爆器2、使用燃气发生器3、非电传爆方案当前35页，总共42页。空间对接装置空间对接是用来实现航天器之间的机械、电路、气液路空间对接、连接与分离的复杂装置，按机构机构驱动分类：气液驱动、机电、数控。柔性对接欧洲空间局的十字形对接装置柔性“杆-锥”式对接装置杆-锥”式对接装置“异体同构周边”式对接装置当前36页，总共42页。工作映射当前37页，总共42页。HexWeb®蜂窝关键产品：HexWeb®HRP-C玻璃纤维核心用于飞机机舱应用HexWeb®HDC重密度玻璃纤维用于蜂窝夹层板里的嵌铸替代品铝芯：5052或5056合金配CRIII或CRPAA腐蚀处理方案芳纶/对位芳纶（诺梅克斯和凯夫拉尔纤维）核芯加上酚浸涂玻璃：用酚醛或尼龙浸渍涂敷Flexcore用于高波状外形的应用当前38页，总共42页。HexTow®短切纤维HexTow®短切碳纤维用于模压和注入工艺生产机器零件、齿轮和化工阀门。成品具有极佳的抗腐蚀、抗蠕变和抗疲劳性能，以及高强度和刚度特性。HexTow®连续纤维连续纤维可以与所有的热固性和热塑性树脂体系相结合，可用于编织、编结、缠绕成形工艺；单向带用于自动铺丝和自动铺带以及预浸料丝束铺放。HexTow®碳纤维是世界上最先进的航空航天和工业应用的首选。当前39页，总共42页。