一種衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)，具體為一種衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]飛輪是輸出角慣量的重要零件，目前衛(wèi)星動量飛輪均為一體式結(jié)構(gòu)，并采用高強(qiáng)度鋼或鋁合金等金屬材料制造。雖然該結(jié)構(gòu)形式能夠滿足動量要求，但是輪體的質(zhì)量偏重，有大量的材料使用在輪轂和輪輻上，這些材料對轉(zhuǎn)動慣量的貢獻(xiàn)微小，屬于消極質(zhì)量。由于金屬材料本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用金屬塊整體加工的一體式飛輪，阻尼性能較差。飛輪在轉(zhuǎn)動過程中一旦發(fā)生擾動，便需要花很長的時間才能恢復(fù)，對慣性器件的方向控制性能極為不利。有的飛輪為了減少消極質(zhì)量，減少了輪輻材料的用量，但機(jī)構(gòu)發(fā)生振動時，輪輻會將振動傳遞到輪緣上，并產(chǎn)生顯著地放大效應(yīng)，使得輪緣與外殼發(fā)生碰撞，影響衛(wèi)星姿態(tài)控制，甚至導(dǎo)致衛(wèi)星損壞。
[0003]為了應(yīng)對這些不足，國外有人采用了組合式飛輪結(jié)構(gòu)，即輪轂、輪輻、輪緣采用不同的材料，輪轂和輪輻采用較為輕質(zhì)高強(qiáng)的金屬材料，輪緣使用密度大的金屬材料。將這三個部分通過螺釘、鉚釘?shù)葯C(jī)械連接形式組合成動量飛輪。這種形式的飛輪在一定程度上利用了材料的特性，降低飛輪整體的重量。
[0004]但是，由于飛輪的輪轂、輪輻和輪緣之間采用緊固件進(jìn)行機(jī)械連接，緊固件與飛輪各部件之間的間隙和飛輪整體重量分布的不均勻性對動不平衡量有很大的影響，裝配后需要進(jìn)行大量的調(diào)節(jié)動平衡的試驗(yàn)，往往調(diào)節(jié)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加工周期，因此大大增加了飛輪研制的周期和成本，很難滿足輕量化衛(wèi)星平臺、型譜化的批量使用要求。且緊固件在飛輪加速、減速和振動過程中會有一定程度的松動，這些松動在圓周上形成的細(xì)微不對稱重量，會對飛輪整體的動平衡性能帶來很大的影響。
[0005]因此本發(fā)明通過使用比高強(qiáng)合金性能更加優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料，采用合理的結(jié)構(gòu)布局，在多向均勻施壓的熱壓裝置通過共固化整體成型方式成功制備了一種新型衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪。與傳統(tǒng)飛輪相比，該飛輪擁有更輕的重量，更高的阻尼性能，更穩(wěn)定的動平衡性能，較短的制造周期和較低的生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對上述技術(shù)中存在的問題，提供一種衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪及其制備方法；所述動量飛輪是一種姿態(tài)控制系統(tǒng)的慣性器件，該飛輪具有重量輕，可模塊化制造的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足各種輸出扭矩的要求，在衛(wèi)星姿態(tài)控制中具有廣泛的適應(yīng)性。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]第一方面，本發(fā)明提供一種衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪，所述飛輪由內(nèi)至外依次包括輪轂、輪輻和輪緣；所述輪轂與輪輻接合的外圍周邊開設(shè)連接凹槽，中間設(shè)有中心孔，凹槽與中心孔之間設(shè)有多個安裝孔；所述輪輻包括外輻圈、輻條、內(nèi)輻圈，外輻圈與輪緣接合，內(nèi)輻圈與輪轂接合，內(nèi)輻圈開設(shè)有連接凸起；所述輪緣內(nèi)側(cè)面設(shè)有環(huán)形凸起；輪轂和輪輻通過凹槽與凸起結(jié)構(gòu)以嚙合、共固化方式連接；外輻圈通過膠接、緊配與外側(cè)的輪緣連接，輪輻的底部位于輪緣內(nèi)側(cè)的環(huán)形凸起上。
[0009]優(yōu)選地，所述輪轂的材質(zhì)為鋁合金，輪輻的材質(zhì)為碳纖維復(fù)合材料，輪緣的材質(zhì)為不銹鋼。
[0010]更優(yōu)選地，所述輪轂用鋁合金材料為高強(qiáng)的7075鋁合金；所述輪輻用碳纖維復(fù)合材料輪福材料為碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，所述輪緣用不銹鋼材料為OCr 18Ni9Ti。
[0011]優(yōu)選地，所述凹槽呈梯形；所述凸起呈梯形；梯形的凹槽與梯形的凸起結(jié)構(gòu)契合。
[0012]優(yōu)選地，所述輻條的垂直于徑向的截面為矩形。
[0013]優(yōu)選地，所述矩形的寬為10_?20_，長為10_?30_。
[0014]優(yōu)選地，所述輻條數(shù)量為5?10根。
[0015]優(yōu)選地，所述輪轂半徑、輪輻半徑與飛輪半徑之間的比例為4:5:6。
[0016]優(yōu)選地，輪緣內(nèi)側(cè)設(shè)置的環(huán)形凸起高度為輪緣厚度的1/2?3/4。
[0017]優(yōu)選地，所述衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪可通過更換外側(cè)的金屬輪緣，實(shí)現(xiàn)動量可調(diào)節(jié)。
[0018]所述衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪的動不平衡量不大于1.0g.cm，動量范圍為20?1000N.πι8，轉(zhuǎn)動慣量的范圍為0.03?IKg.πι2;所述衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪具有較高的阻尼性能，在隨機(jī)振動的激勵下，輪緣的放大系數(shù)不大于5。
[0019]第二方面，本發(fā)明提供一種衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪的制備方法，所述制備方法包括如下步驟:
[0020]步驟一、制備碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，裁剪成輪輻預(yù)浸料；
[0021]步驟二、將步驟一所得輪輻預(yù)浸料鋪覆成輪輻的形狀，與制備好的鋁合金輪轂和輪緣一同放置在多向均壓的模具中，通過模具定位系統(tǒng)調(diào)整各個部件的位置；
[0022]步驟三、將模具加熱至80?120°C左右保溫0.5h，緩慢加壓至0.1?0.3MPa，釋放壓力，然后將壓力升高到0.6?1.2MPa，同時升溫至180°C，固化3?6h，使得輪轂、輪輻和輪緣共固化成一體。
[0023]優(yōu)選地，步驟二中，所述預(yù)浸料鋪覆成輪輻的形狀中，與輪轂接觸的輻條采用T300/環(huán)氧樹脂預(yù)浸布逐層鋪覆制備，鋪層角度為[0/45/45/90]n ;與輪緣接觸的輻圈采用T700/環(huán)氧樹脂預(yù)浸布鋪覆，鋪層角度為O度。
[0024]優(yōu)選地，步驟二中，所述輪輻預(yù)浸料包括兩個不同尺寸，較大尺寸的輪輻預(yù)浸料與外輻圈穿插鋪層，較小尺寸的輪輻預(yù)浸料位于穿插鋪層之間；較小尺寸輪輻預(yù)浸料是用來保證輪輻的最終外形，較大尺寸輪輻預(yù)浸料用來與外輻圈進(jìn)行穿插鋪層，保證輻條與外輻圈的連接強(qiáng)度。
[0025]優(yōu)選地，步驟二中，所述輪緣的內(nèi)側(cè)面在使用前進(jìn)行粗糙化處理。
[0026]優(yōu)選地，所述粗糙化處理的方法包括使用高壓細(xì)沙進(jìn)行噴砂進(jìn)行粗糙處理。
[0027]優(yōu)選地，所述用高壓細(xì)沙進(jìn)行噴砂進(jìn)行粗糙處理中，細(xì)沙大小為O?100目，噴砂壓力為0.1?0.8MPa，噴射時間為5?20min。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明采用了輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料代替金屬材料制備輪輻，使得飛輪的重量從3.5kg下降到2.9kg，減重比例達(dá)到17%，效果明顯；
[0030]2、本發(fā)明采用了模塊化的飛輪形式，可以通過更換輪緣方便的改變飛輪的輸出動量;
[0031]3、本發(fā)明使用了比剛度高、阻尼性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料，使得飛輪振動時外側(cè)的振動放大系數(shù)從原來的6倍下降為3倍，大大提高了飛輪的穩(wěn)定性；
[0032]4、本發(fā)明采用整體共固化的方式代替了機(jī)械連接方式，大大增加了飛輪工作時的平衡穩(wěn)定性，初始動不平衡量達(dá)到了 0.Sg.Cm，完全滿足姿態(tài)控制要求，且運(yùn)轉(zhuǎn)后幾乎不發(fā)生變化；
[0033]5、本發(fā)明制備的飛輪在裝備后無需進(jìn)行大量的調(diào)節(jié)動平衡的試驗(yàn)，所以使得飛輪的制備周期從3個月縮短為I個月，明顯降低了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。
【附圖說明】
[0034]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0035]圖1為衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪；
[0036]圖2為衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪的鋁合金輪轂；
[0037]圖3為衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪的碳纖維復(fù)合材料輪輻；
[0038]圖4為所述衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪的不銹鋼輪緣；
[0039]圖5為所述衛(wèi)星用輕質(zhì)復(fù)合材料動量飛輪的輪輻預(yù)浸料形狀；
[0040]其中，I為鋁合金輪轂；2為碳纖維復(fù)合材料輪輻；3為不銹鋼輪緣；4是安裝孔；5是外福圈；6是福條；7是內(nèi)福圈；8是環(huán)形凸起。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形