结构机构和热控分系统设计

结构机构和热控分系统设计第1页/共30页2（1）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。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。（2）结构分系统的功能

1）卫星结构定义：是支承卫星中有效载荷以及其他各分系统的骨架。

2）结构分系统的作用：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受运载火箭及地面运输时的各种力学环境。第2页/共30页33）结构分系统的组成结构分系统：主结构+次结构+特殊功能结构1）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，也可包括星箭对接段和发动机支架：中心承力筒、构架式、舱体式2）次结构，设备支架，外壳3）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。第3页/共30页44）卫星结构分系统的功能：1）承受和传递卫星上所有载荷，2）为卫星有效载荷和其他分系统提供所需的安装空间、安装位置、安装方式，把它们连成一个整体，满足各自要求，便于装卸、操作和维护，3）为卫星有效载荷和其他分系统提供有效的环境保护，4）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支承条件，传感器所需精度等，5）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性能，导热、绝缘等第4页/共30页5（3）机构分系统的功能1）卫星机构的定义：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（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（SADA）、消旋机构和缓冲结构等。2）卫星机构的功能：1）形成和释放星上部件的连接或紧固状态2）使卫星与运载火箭之间或星上各部件之间相互分离3）使星上部件展开到所需位置或展开成所需形状4）使星上部件保持指向规定的目标第5页/共30页6(4)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（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，质心位置的确定;对航天器系统的刚度提出要求(包括天线和太阳翼收拢和展开状态)；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，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）,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。第6页/共30页7（5）结构和机构的设计的主要过程

1）确定要求：--任务--运载工具：强度、刚度、模态、接口、包络、重量

振动、噪声、冲击

星箭耦合分析--工作环境：生产—任务完成2）结构布局--分系统要求：自旋惯量、视场、指向、羽流--外轮廓---可接近性：蓄电池更换、落焊--可生产性--确定负载路径、质心第7页/共30页8（5）结构和机构的设计过程

3）设计方案选择：--结构型式--材料：铝、4）仿真分析和试验--设计分析--仿真---可接近性--可生产性--确定负载路径--试验第8页/共30页9a.承力筒式第9页/共30页10b.箱板式第10页/共30页11c.桁架式第11页/共30页12d.外壳式第12页/共30页13e.混合式第13页/共30页常见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第14页/共30页2、热控分系统设计第15页/共30页16（1）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—微重力第16页/共30页17（2）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：*一般电子设备的工作温度范围是0°～40°；*镉镍蓄电池的工作温度范围是5°～20°；*太阳电池的工作温度范围是控制在-100°～+100°（但从要求来说，应控制在低端，因为工作温度越低，太阳电池的效率就越高）；*液体推进剂的温度要求保持在7°～35°（所以，连接到小推力器的管路几乎都要加热）；第17页/共30页18

*红外相机敏感器要求在极低温度下工作（低于120°K

）；*高分辨率相机对工作温度范围要求极高（有的要求控制在±０．５～2°

内）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、天线及太阳翼的遮挡等。第18页/共30页19２）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、半被动式和主动式。

被动式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。第19页/共30页20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。第20页/共30页21无人航天器的热控95％是用被动式。被动式使用的元、部件有热管（与同样直径的铜棒相比，传热量是铜棒的200-300倍）、导热板、相变材料（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。接触热阻和导热填料第21页/共30页22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。

第22页/共30页233）卫星热控概貌第23页/共30页24图２０可展开热辐射器第24页/共30页热控

各设备与热管网络的关系散热面设计初步设想载荷与平台一体化热控设计被动热控措施为主，主动热控措施为辅主、辅散热面舱内等温化—涂层、填料、热管偏低温度设计分级的主动热控扩热—热管网络上升段热控策略—加热与调姿第25页/共30页谢谢！！！第26页/共30页2023/4/2327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第27页/共30页2023/4/2328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制在允许的房屋内。因此返回舱的结构是一种具有防热、隔热的结构形式。为了使返回舱在着陆时刻，不至于受冲击载荷的作用而损失着陆缓冲形式的结构。另外还有因有效载荷的气密性要求，有整舱的密封结构形式等。在发射过程