一種衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法
【專利摘要】一種衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法，其包括：步驟1，鋪腹板：將若干個(gè)C型腹板拼接成一個(gè)以上的封閉區(qū)域；步驟2，生成適配結(jié)構(gòu)封閉區(qū)域的弧邊：在對(duì)應(yīng)的C型腹板上同向鋪放C型腹板；生成適配結(jié)構(gòu)封閉區(qū)域的直邊：在對(duì)應(yīng)的C型腹板上反向拼接C型腹板；步驟3，將一個(gè)以上的封閉區(qū)域組裝成適配結(jié)構(gòu)的形狀，在適配結(jié)構(gòu)的所有直邊和弧邊上鋪放翼板；在承載區(qū)的翼板要連續(xù)鋪放，在非承載區(qū)的翼板上設(shè)計(jì)斷點(diǎn)；鋪放為多層不同向的方式，斷點(diǎn)為同層不同向的方式。本發(fā)明提高了載荷適配結(jié)構(gòu)在軌長期使用的尺寸穩(wěn)定性能和承載質(zhì)量比，并為相機(jī)等大型載荷提供安裝基礎(chǔ)面。
【專利說明】
一種衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于航天器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，尤其涉及一種衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法。【背景技術(shù)】
[0002]航天器在軌運(yùn)行時(shí)，處于高真空、冷熱交變環(huán)境，并受到宇宙射線、太陽輻射、高能粒子、等離子體、原子氧等各種空間因素的損傷、破壞，嚴(yán)重的威脅著在軌航天器的可靠性與安全性?？臻g環(huán)境因素以不同的方式引發(fā)航天器材料性能的變化、損傷乃至破壞，導(dǎo)致材料的基本性能如力學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)變化，進(jìn)而影響一些星上高精度載荷性能，如高分辨對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星相機(jī)的成像精度，甚至嚴(yán)重威脅到航天器在軌運(yùn)行的安全與壽命。
[0003]在遙感衛(wèi)星領(lǐng)域，為滿足更高的對(duì)地觀測(cè)的精度要求，一方面需要提高星載相機(jī)、 合成孔徑雷達(dá)(SAR)等有效載荷的性能，另一方面對(duì)支撐這些載荷的結(jié)構(gòu)件在軌長期保持相對(duì)位置、外形尺寸穩(wěn)定不變的性能也提出了更高的要求。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，熱變形是導(dǎo)致在軌運(yùn)行航天器結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。因此，選用具有低膨脹系數(shù)性能的復(fù)合材料是提高航天器尺寸穩(wěn)定性的重要手段，而具有低熱膨脹系數(shù)的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是理想選擇。通過以特定方向結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，將鋪層設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)型與工藝實(shí)現(xiàn)相結(jié)合，可獲得結(jié)構(gòu)在某一特定方向上的高尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。
[0004]目前，隨著用戶對(duì)觀測(cè)精度要求的提高，對(duì)衛(wèi)星用支撐結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。一方面要有更大的承載能力，另一方面要求支撐結(jié)構(gòu)具有更高的尺寸穩(wěn)定性。而目前國內(nèi)遙感衛(wèi)星使用的相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)存在如下問題:
[0005](1)此類支撐結(jié)構(gòu)大多為金屬類支架一一尺寸熱穩(wěn)定性差、承載質(zhì)量比低；
[0006](2)現(xiàn)有的復(fù)材支架多用準(zhǔn)各向同性鋪層，未發(fā)揮復(fù)材結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，另外在高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)上很多結(jié)構(gòu)更多的是保證一個(gè)維度的穩(wěn)定性，如各種桿件、梁等結(jié)構(gòu)，只在長度一個(gè)方向保證尺寸變形最小，在另兩個(gè)維度上未實(shí)現(xiàn)相同的效果。對(duì)于一個(gè)圓管，要保證軸向尺寸穩(wěn)定性，現(xiàn)有技術(shù)通過準(zhǔn)各向同性鋪層固化生成圓管，僅實(shí)現(xiàn)一個(gè)維度的穩(wěn)定性。但是隨著用戶對(duì)觀測(cè)精度要求的提高，尤其是相機(jī)及對(duì)指向精度有較高要求的載荷設(shè)備，這些載荷在軌指向精度要求很高，并且需要保持在軌長期穩(wěn)定不變，但是現(xiàn)有技術(shù)并未查到相關(guān)資料達(dá)到上述目的。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法，其提高了載荷適配結(jié)構(gòu)在軌長期使用的尺寸穩(wěn)定性能和承載質(zhì)量比，并為相機(jī)等大型載荷提供安裝基礎(chǔ)面。
[0008]—種衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法，其包括以下步驟:
[0009]步驟1，鋪腹板:將若干個(gè)C型腹板拼接成一個(gè)以上的封閉區(qū)域；[〇〇1〇]步驟2,生成適配結(jié)構(gòu)封閉區(qū)域的弧邊:在對(duì)應(yīng)的C型腹板上同向鋪放C型腹板；
[0011]生成適配結(jié)構(gòu)封閉區(qū)域的直邊:在對(duì)應(yīng)的C型腹板上反向拼接C型腹板；
[0012]步驟3,將一個(gè)以上的封閉區(qū)域組裝成適配結(jié)構(gòu)的形狀，在適配結(jié)構(gòu)的所有直邊和弧邊上鋪放翼板;在承載區(qū)的翼板要連續(xù)鋪放，在非承載區(qū)的翼板上設(shè)計(jì)斷點(diǎn)；
[0013]其中，鋪放為多層不同向的方式，即多個(gè)單層無維布以90° /+45° /0° /-45° /0° / 0° /-45° /0° /+45° /90°依次鋪放形成1個(gè)單元，重復(fù)1個(gè)單元的鋪放，斷點(diǎn)為同層不同向的方式。
[0014]效果較好的，所述無維布由碳纖維復(fù)合材料制成。
[0015]有益效果:
[0016]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了二維尺寸高穩(wěn)定性設(shè)計(jì):通過在構(gòu)型中的組合設(shè)計(jì)，加之鋪層角度、 層數(shù)的綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大跨度的二維尺寸高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)指標(biāo)---有效載荷安裝面面內(nèi)結(jié)構(gòu)單向變形比達(dá)到<〇.5 Xl(T6m/m°C，這是傳統(tǒng)鑄鎂或鑄鋁材料支架所無法企及的設(shè)計(jì)指標(biāo)；[〇〇17]與傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料載荷適配結(jié)構(gòu)具有更高的承載質(zhì)量比，可承載相機(jī)重量為l〇〇〇kg，而載荷適配結(jié)構(gòu)重量為30kg，其承載質(zhì)量比為33.3;目前國內(nèi)遙感衛(wèi)星領(lǐng)域用金屬結(jié)構(gòu)支撐的最重的相機(jī)重量為750kg，其結(jié)構(gòu)重量為75kg，為鑄鎂合金結(jié)構(gòu)，此廣品的承載質(zhì)量比為10,性能提尚了233% ;【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法生成的載荷適配結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2a為本發(fā)明的C字梁結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇2〇]圖2b為本發(fā)明的工字梁結(jié)構(gòu)示意圖；[0021 ]圖3a為本發(fā)明的C字梁結(jié)構(gòu)鋪層示意圖；[〇〇22]圖3b為本發(fā)明的工字梁結(jié)構(gòu)鋪層示意圖；[〇〇23]圖4為本發(fā)明的衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法生成的載荷適配結(jié)構(gòu)組成示意圖；
[0024]圖5為本發(fā)明的斷點(diǎn)不意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖以某衛(wèi)星上用于承載相機(jī)、星敏的載荷適配結(jié)構(gòu)為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步闡述，該產(chǎn)品外形尺寸為2200mm(長)X 1400mm(寬)X 100mm(高)。
[0026]載荷適配結(jié)構(gòu)的承載和熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)均通過構(gòu)型結(jié)合鋪層設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn):
[0027]相機(jī)承載區(qū)位于如附圖1所示的中間環(huán)形部分1，為“C型梁”結(jié)構(gòu)，在梁的翼板上開孔，提供連接接口；星敏感器的承載區(qū)、結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)均位于圓框四周的“工字梁”2中，于如附圖1所示，均在梁的翼板上開孔，提供連接接口；通過有限元分析的方法，針對(duì)面內(nèi)二維尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，將各梁的寬度、壁厚、以及鋪層角度、層數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 綜合確定力學(xué)支撐性能與熱穩(wěn)定性，確定圓框與周圍“工字梁”的連接位置。其中，“C字梁” 由C型腹板上同向鋪放C型腹板形成，“工字梁”由C型腹板上反向拼接C型腹板形成。[〇〇28]載荷適配結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)均是通過有效的鋪層來實(shí)現(xiàn)的，因此其設(shè)計(jì)的核心是鋪層設(shè)計(jì)，即要最大程度保證鋪層的連續(xù)性，又要最大程度保證鋪層的完整性。為保證結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)具有較高的尺寸穩(wěn)定性，根據(jù)復(fù)合材料鋪層與宏觀各個(gè)方向熱膨脹系數(shù)相關(guān)的特點(diǎn)，在每一個(gè)工藝單元內(nèi)，沿柱面高度方向以[(90°/+45°/0°/-45°/0° )s]4順序設(shè)計(jì)鋪層，水平面內(nèi)沿每個(gè)工藝單元的徑向以[(90°/+45°/0°/-45°/0°)s]4順序設(shè)計(jì)鋪層，通過這一鋪層設(shè)計(jì)，可以保證在放松高度方向熱穩(wěn)定性的同時(shí)，提高面內(nèi)的尺寸穩(wěn)定性。定義垂直于圖示平面方向?yàn)?0°層方向，單層無煒布厚0.1mm;如附圖2a和圖2b所示，在載荷適配結(jié)構(gòu)中間環(huán)形部分1為“C型梁”結(jié)構(gòu)，其余位置2的幾何形式均為“工字梁”結(jié)構(gòu)；“工字梁”為組合鋪層結(jié)構(gòu)，如圖3a所示，中間腹板3為兩側(cè)“C字梁”以半厚度尺寸對(duì)稱鋪層拼接成型，而后在上下表面鋪放另一半厚度鋪層4的翼板，整體固化形成“工字梁”結(jié)構(gòu)；中間圓環(huán)區(qū)域的C 字梁結(jié)構(gòu)中，如圖3b所示，為保證與其它部分“工字梁”結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，鋪層也分為內(nèi)部腹板 3部分和外部翼板5部分，內(nèi)部腹板3與相鄰的直邊組成封閉的腹板鋪層單元，如圖4中1-1、……、1_8所示;為保證腹板3鋪層連續(xù)，根據(jù)幾何區(qū)域分成18個(gè)腹板3的鋪層單元，如圖4 所示，其中形狀相同或鏡像的為一類，共4類，第1類為中間圓弧與相鄰直邊形成的閉腔區(qū)域單元，即1-1、……、1_8共8處，第2類為兩側(cè)大尺寸直角梯形閉腔區(qū)域單元，S卩2-1、……、2-4 共4處，第3類為兩側(cè)小尺寸直角梯形閉腔區(qū)域單元，S卩3-1、……、3-4共4處，第4類為外側(cè)框的腹板部分，為保證工藝實(shí)現(xiàn)的可行性，將其分為上下兩半，即4-1、4-2共2處，其余均為環(huán)形閉腔單元；
[0029]由于結(jié)構(gòu)中承載相機(jī)的圓框受局部載荷較大，而且此處有全部相機(jī)接口，完整的鋪層也有助于保證結(jié)構(gòu)上相機(jī)安裝位置一致的熱穩(wěn)定性，綜合考慮應(yīng)盡可能保證此處鋪層的連續(xù)，因此，翼板鋪層設(shè)計(jì)以圓框?yàn)榛鶞?zhǔn)，從中間柱面開始鋪層，向上下表面翻折，并向周圍分散鋪放，由于構(gòu)型中圓弧、直邊、斜邊相交出現(xiàn)，纖維鋪放過程中遇幾何方向變化時(shí)，纖維出現(xiàn)鋪放的斷點(diǎn)位置，為確保圓框鋪層連續(xù)性，將不可避免的斷點(diǎn)位置全部設(shè)計(jì)在圓框周圍的直邊上，以保證圓框本身及與其相連的斜邊的鋪層完整連續(xù)，4種角度鋪放過程中均在相似位置設(shè)置斷點(diǎn)，斷點(diǎn)在直邊上位置1，斷點(diǎn)在斜邊上位置2,具體在每層鋪層時(shí)，斷點(diǎn)位置依次錯(cuò)開一段距離，使拼縫錯(cuò)位不重合，實(shí)現(xiàn)同層異向鋪層，如圖5所示，圖5中10層連續(xù)鋪放的角度仍為90°/+45°/0°/-45°/0°/0°/-45°/0°/+45°/90°，在此僅為凸顯10層對(duì)接鋪放的斷點(diǎn)。
[0030]當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟1，鋪腹板:將若干個(gè)C型腹板拼接成一個(gè)以上的封閉區(qū)域；步驟2，生成適配結(jié)構(gòu)封閉區(qū)域的弧邊:在對(duì)應(yīng)的C型腹板上同向鋪放C型腹板；生成適配結(jié)構(gòu)封閉區(qū)域的直邊:在對(duì)應(yīng)的C型腹板上反向拼接C型腹板；步驟3,將一個(gè)以上的封閉區(qū)域組裝成適配結(jié)構(gòu)的形狀，在適配結(jié)構(gòu)的所有直邊和弧邊 上鋪放翼板;在承載區(qū)的翼板要連續(xù)鋪放，在非承載區(qū)的翼板上設(shè)計(jì)斷點(diǎn)；其中，鋪放為多層不同向的方式，即多個(gè)單層無維布以90° /+45° /0° /-45° /0° /0° /-45°/0°/+45°/90°依次鋪放形成1個(gè)單元，重復(fù)1個(gè)單元的鋪放，斷點(diǎn)為同層不同向的方式。2.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星系統(tǒng)用載荷適配結(jié)構(gòu)的生成方法，其特征在于，所述無維布 由碳纖維復(fù)合材料制成。
【文檔編號(hào)】B64G1/22GK105947236SQ201610317891
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】白剛, 羅文波, 陳海峰, 徐偉麗, 高峰, 田鑫, 劉國青
【申請(qǐng)人】北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部