CN104608939B - 一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法；所述飞轮由内至外依次包括轮毂、轮辐和轮缘；所述轮毂与轮辐接合的外围周边开设连接凹槽，中间设有中心孔，凹槽与中心孔之间设有多个安装孔；所述轮辐包括外辐圈、辐条、内辐圈，外辐圈与轮缘接合，辐条树根，内辐圈与轮毂接合，内辐圈开设有连接凸起；所述轮缘内侧面设有环形凸起；轮毂和轮辐通过凹槽与凸起结构以啮合、共固化方式连接；外辐圈通过胶接、紧配与外侧的轮缘连接，轮辐的底部位于轮缘内侧的环形凸起上。本发明采用轻质高强、阻尼性能优越的碳纤维复合材料，通过热紧配合和胶结的方式替代紧固件连接方式，大大降低飞轮的消极重量，增大飞轮的阻尼性能，也缩短了制造周期。

Description

一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及航天器结构和机构，具体为一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法。

背景技术

飞轮是输出角惯量的重要零件，目前卫星动量飞轮均为一体式结构，并采用高强度钢或铝合金等金属材料制造。虽然该结构形式能够满足动量要求，但是轮体的质量偏重，有大量的材料使用在轮毂和轮辐上，这些材料对转动惯量的贡献微小，属于消极质量。由于金属材料本身的结构特点，采用金属块整体加工的一体式飞轮，阻尼性能较差。飞轮在转动过程中一旦发生扰动，便需要花很长的时间才能恢复，对惯性器件的方向控制性能极为不利。有的飞轮为了减少消极质量，减少了轮辐材料的用量，但机构发生振动时，轮辐会将振动传递到轮缘上，并产生显著地放大效应，使得轮缘与外壳发生碰撞，影响卫星姿态控制，甚至导致卫星损坏。

为了应对这些不足，国外有人采用了组合式飞轮结构，即轮毂、轮辐、轮缘采用不同的材料，轮毂和轮辐采用较为轻质高强的金属材料，轮缘使用密度大的金属材料。将这三个部分通过螺钉、铆钉等机械连接形式组合成动量飞轮。这种形式的飞轮在一定程度上利用了材料的特性，降低飞轮整体的重量。

但是，由于飞轮的轮毂、轮辐和轮缘之间采用紧固件进行机械连接，紧固件与飞轮各部件之间的间隙和飞轮整体重量分布的不均匀性对动不平衡量有很大的影响，装配后需要进行大量的调节动平衡的试验，往往调节时间远远大于加工周期，因此大大增加了飞轮研制的周期和成本，很难满足轻量化卫星平台、型谱化的批量使用要求。且紧固件在飞轮加速、减速和振动过程中会有一定程度的松动，这些松动在圆周上形成的细微不对称重量，会对飞轮整体的动平衡性能带来很大的影响。

因此本发明通过使用比高强合金性能更加优异的碳纤维复合材料，采用合理的结构布局，在多向均匀施压的热压装置通过共固化整体成型方式成功制备了一种新型卫星用轻质复合材料动量飞轮。与传统飞轮相比，该飞轮拥有更轻的重量，更高的阻尼性能，更稳定的动平衡性能，较短的制造周期和较低的生产成本。

发明内容

本发明针对上述技术中存在的问题，提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法；所述动量飞轮是一种姿态控制系统的惯性器件，该飞轮具有重量轻，可模块化制造的优点，能够满足各种输出扭矩的要求，在卫星姿态控制中具有广泛的适应性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮，所述飞轮由内至外依次包括轮毂、轮辐和轮缘；所述轮毂与轮辐接合的外围周边开设连接凹槽，中间设有中心孔，凹槽与中心孔之间设有多个安装孔；所述轮辐包括外辐圈、辐条、内辐圈，外辐圈与轮缘接合，内辐圈与轮毂接合，内辐圈开设有连接凸起；所述轮缘内侧面设有环形凸起；轮毂和轮辐通过凹槽与凸起结构以啮合、共固化方式连接；外辐圈通过胶接、紧配与外侧的轮缘连接，轮辐的底部位于轮缘内侧的环形凸起上。

优选地，所述轮毂的材质为铝合金，轮辐的材质为碳纤维复合材料，轮缘的材质为不锈钢。

更优选地，所述轮毂用铝合金材料为高强的7075铝合金；所述轮辐用碳纤维复合材料轮辐材料为碳纤维环氧复合材料，所述轮缘用不锈钢材料为0Cr18Ni9Ti。

优选地，所述凹槽呈梯形；所述凸起呈梯形；梯形的凹槽与梯形的凸起结构契合。

优选地，所述辐条的垂直于径向的截面为矩形。

优选地，所述矩形的宽为10mm～20mm，长为10mm～30mm。

优选地，所述辐条数量为5～10根。

优选地，所述轮毂半径、轮辐半径与飞轮半径之间的比例为4:5:6。

优选地，轮缘内侧设置的环形凸起高度为轮缘厚度的1/2～3/4。

优选地，所述卫星用轻质复合材料动量飞轮可通过更换外侧的金属轮缘，实现动量可调节。

所述卫星用轻质复合材料动量飞轮的动不平衡量不大于1.0g·cm，动量范围为20～1000N·ms，转动惯量的范围为0.03～1Kg·m²；所述卫星用轻质复合材料动量飞轮具有较高的阻尼性能，在随机振动的激励下，轮缘的放大系数不大于5。

第二方面，本发明提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤一、制备碳纤维环氧树脂预浸料，裁剪成轮辐预浸料；

步骤二、将步骤一所得轮辐预浸料铺覆成轮辐的形状，与制备好的铝合金轮毂和轮缘一同放置在多向均压的模具中，通过模具定位系统调整各个部件的位置；

步骤三、将模具加热至80～120℃左右保温0.5h，缓慢加压至0.1～0.3MPa，释放压力，然后将压力升高到0.6～1.2MPa，同时升温至180℃，固化3～6h，使得轮毂、轮辐和轮缘共固化成一体。

优选地，步骤二中，所述预浸料铺覆成轮辐的形状中，与轮毂接触的辐条采用T300/环氧树脂预浸布逐层铺覆制备，铺层角度为[0/45/45/90]n；与轮缘接触的辐圈采用T700/环氧树脂预浸布铺覆，铺层角度为0度。

优选地，步骤二中，所述轮辐预浸料包括两个不同尺寸，较大尺寸的轮辐预浸料与外辐圈穿插铺层，较小尺寸的轮辐预浸料位于穿插铺层之间；较小尺寸轮辐预浸料是用来保证轮辐的最终外形，较大尺寸轮辐预浸料用来与外辐圈进行穿插铺层，保证辐条与外辐圈的连接强度。

优选地，步骤二中，所述轮缘的内侧面在使用前进行粗糙化处理。

优选地，所述粗糙化处理的方法包括使用高压细沙进行喷砂进行粗糙处理。

优选地，所述用高压细沙进行喷砂进行粗糙处理中，细沙大小为0～100目，喷砂压力为0.1～0.8MPa，喷射时间为5～20min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用了轻质高强的碳纤维复合材料代替金属材料制备轮辐，使得飞轮的重量从3.5kg下降到2.9kg，减重比例达到17％，效果明显；

2、本发明采用了模块化的飞轮形式，可以通过更换轮缘方便的改变飞轮的输出动量；

3、本发明使用了比刚度高、阻尼性能优异的碳纤维复合材料，使得飞轮振动时外侧的振动放大系数从原来的6倍下降为3倍，大大提高了飞轮的稳定性；

4、本发明采用整体共固化的方式代替了机械连接方式，大大增加了飞轮工作时的平衡稳定性，初始动不平衡量达到了0.8g·cm，完全满足姿态控制要求，且运转后几乎不发生变化；

5、本发明制备的飞轮在装备后无需进行大量的调节动平衡的试验，所以使得飞轮的制备周期从3个月缩短为1个月，明显降低了生产周期，提高了生产效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为卫星用轻质复合材料动量飞轮；

图2为卫星用轻质复合材料动量飞轮的铝合金轮毂；

图3为卫星用轻质复合材料动量飞轮的碳纤维复合材料轮辐；

图4为所述卫星用轻质复合材料动量飞轮的不锈钢轮缘；

图5为所述卫星用轻质复合材料动量飞轮的轮辐预浸料形状；

其中，1为铝合金轮毂；2为碳纤维复合材料轮辐；3为不锈钢轮缘；4是安装孔；5是外辐圈；6是辐条；7是内辐圈；8是环形凸起。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例结合图1、2、3作进一步说明，本实施例涉及的卫星用轻质复合材料动量飞轮，依次包括轮毂1、轮辐2、轮缘3(见图1)，轮毂1中间设有中间孔4，轮辐包括外辐圈5、辐条6、内辐圈7；所述轮毂材质为7075铝合金(见图2)，外围周边开设连接凹槽，凹槽呈梯形，侧边的倾斜角度为15°；所述轮辐(见图3)为碳纤维复合材料，与轮毂接触的内辐圈和矩形辐条采用整体裁剪的T300/环氧树脂预浸布逐层铺覆，铺层角度为[0/45/45/90]的循环，外侧与轮缘接触的外辐圈使用T700/环氧树脂预浸布全轴向缠绕；所述轮缘(见图4)材质为0Cr18Ni9Ti，内部与轮辐接触部分经过表面粗糙处理。

制备本实施例的用于轻质复合材料动量飞轮，具体包括如下步骤：

步骤一：使用高强铝合金和不锈钢加工出轮毂和轮缘的外形；

步骤二：使用碳纤维和环氧树脂制备成预浸料，并裁剪成合适尺寸；

步骤三：将预浸料铺覆成轮辐的形状，与轮毂、轮缘一同放置在模具中；轮缘的内侧面用高压细沙进行喷砂粗糙化处理：细沙大小为0～100目，喷砂压力为0.1MPa，喷射时间为5min；

步骤四、将模具加热至80℃左右保温0.5h，缓慢加压至0.1MPa，释放压力，然后将压力升高到0.6MPa，同时升温至180℃，固化3h，使得铝合金轮毂、轮辐和轮缘共固化成一体；

制备所得飞轮的辐条的数量为5根；辐条垂直截面的长宽分别为30mm、20mm；轮缘内侧设置的环形凸起8的高度为轮缘厚度的2/3；轮毂半径、轮辐半径与飞轮半径之间的比例为4:5:6。

本发明中，轮辐预浸料(见图5)的小尺寸形状(4-b)是用来保证轮辐的最终外形，大尺寸形状(4-a)用来与外辐圈进行穿插铺层，保证辐条与外辐圈的连接强度。

对轮缘进行加热是利用不锈钢的热膨胀，使得轮缘的内径扩大，便于轮辐顺利安装入轮缘内。

实施例2

本实施例提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法，技术方案作为实施1的优选例，改进之处仅在于：

步骤三中：轮缘的内侧面用高压细沙进行喷砂粗糙化处理：细沙大小为0～100目，喷砂压力为0.8MPa，喷射时间为20min；

步骤四中、将模具加热至120℃左右保温0.5h，缓慢加压至0.3MPa，释放压力，然后将压力升高到1.2MPa，同时升温至180℃，固化6h，使得铝合金轮毂、轮辐和轮缘共固化成一体。

制备所得飞轮的辐条的数量为8根；辐条垂直截面的长宽分别为20mm、10mm；轮缘内侧设置的环形凸起高度为轮缘厚度的3/4；轮毂半径、轮辐半径与飞轮半径之间的比例为4:5:6。

实施例3

本实施例提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法，技术方案作为实施1的优选例，改进之处仅在于：

步骤三中：轮缘的内侧面用高压细沙进行喷砂粗糙化处理：细沙大小为0～100目，喷砂压力为0.5MPa，喷射时间为15min；

步骤四中、将模具加热至100℃左右保温0.5h，缓慢加压至0.2MPa，释放压力，然后将压力升高到1MPa，同时升温至180℃，固化4.5h，使得轮毂、轮辐和轮缘共固化成一体。

制备所得飞轮的辐条的数量为10根；辐条垂直截面的长宽分别为10mm、10mm；轮缘内侧设置的环形凸起高度为轮缘厚度的1/2；轮毂半径、轮辐半径与飞轮半径之间的比例为4:5:6。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，其中，所述飞轮由内至外依次包括轮毂、轮辐和轮缘；所述轮毂与轮辐接合的外围周边开设连接凹槽，中间设有中心孔，凹槽与中心孔之间设有多个安装孔；所述轮辐包括外辐圈、辐条、内辐圈，外辐圈与轮缘接合，内辐圈与轮毂接合，内辐圈开设有连接凸起；所述轮缘内侧面设有环形凸起；轮毂和轮辐通过凹槽与凸起结构以啮合和/或共固化方式连接；外辐圈通过胶接和/或紧配与外侧的轮缘连接，轮辐的底部位于轮缘内侧的环形凸起上；

其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

步骤一、制备碳纤维环氧树脂预浸料，裁剪成轮辐预浸料；

步骤二、将步骤一所得轮辐预浸料铺覆成轮辐的形状，与制备好的铝合金轮毂和轮缘一同放置在多向均压的模具中，通过模具定位系统调整各个部件的位置；其中，所述部件具体指轮辐预浸料、铝合金轮毂、轮缘；

步骤三、将模具加热至80～120℃保温0.5h，缓慢加压至0.1～0.3MPa，释放压力，然后将压力升高到0.6～1.2MPa，同时升温至180℃，固化3～6h，使得轮毂、轮辐和轮缘共固化成一体。

2.根据权利要求1所述的卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，其特征在于，所述轮毂的材质为铝合金，轮辐的材质为碳纤维复合材料，轮缘的材质为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，其特征在于，所述凹槽呈梯形；所述凸起呈梯形；梯形的凹槽与梯形的凸起结构契合。

4.根据权利要求1所述的卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，其特征在于，所述辐条的垂直于所述飞轮径向的截面为矩形；所述辐条数量为5～10根。

5.根据权利要求1所述的卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，其特征在于，所述轮毂、轮辐与飞轮的半径比为4:5:6。

6.根据权利要求1所述的卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，其特征在于，所述轮缘内侧设置的环形凸起高度为轮缘厚度的1/2～3/4。

7.根据权利要求1所述的卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述轮辐预浸料包括两个不同尺寸，较大尺寸的轮辐预浸料与外辐圈穿插铺层，较小尺寸的轮辐预浸料位于穿插铺层之间；较小尺寸轮辐预浸料是用来保证轮辐的最终外形，较大尺寸轮辐预浸料用来与外辐圈进行穿插铺层，保证辐条与外辐圈的连接强度。

8.根据权利要求1所述的卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述轮缘的内侧面在使用前进行粗糙化处理。