CN104849745A - 一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，包括底座以及固定在底座上方的框型承力结构、箱型主结构：所述框型承力结构包括多个立柱和连接相邻立柱的横梁；所述箱型主结构设置在框型承力结构立柱与横梁合围构成的框体内，箱型主结构由多个单层箱体在竖向上叠加构成，上、下相邻单层箱体呈正交摆放，且端部交替错开，使奇数层相邻单层箱体或偶数层相邻单层箱体的端部之间形成卡入所述横梁的槽体，所述单层箱体内设有多条并行的用于安装探测器晶体的方型管腔。本发明用于空间晶体阵列探测器的安装与定位，解决了空间粒子能量大动态范围测量的难题，使得安装有晶体阵列的探测器能够通过空间力学环境的考核，使其满足发射环境需求。

Description

一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体为一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构。

背景技术

空间探测宇宙线粒子越来越面临如下几个方面的挑战：需要探测极高的能量、宽广的动态范围，并面临空间环境所带的特殊需求如重量、体积等要求。空间探测宇宙线粒子，物理上应尽可能的采用质量小、密度较小的结构件材料，但国内以往的探测器如X/γ射线谱仪等基本都是搭载，载荷尺寸较小，通常都是使用硬铝合金材料作为结构件首选材料。国内空间探测自2000年以后也开始越来越大规模的使用非金属作为结构件材料，典型如碳纤维材料，但基本都是用于卫星本身的支撑结构。

发明内容

针对现有技术中的存在的问题，本发明的技术目的是提供一种新型的晶体阵列探测器保护结构，满足空间探测的特殊环境要求。

为实现上述技术目的，本发明公开的技术方案为：

一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，包括底座以及固定在底座上方的框型承力结构、箱型主结构：

所述框型承力结构包括多个立柱和连接相邻立柱的横梁；

所述箱型主结构设置在框型承力结构立柱与横梁合围构成的框体内，箱型主结构由多个单层箱体在竖向上叠加构成，上、下相邻单层箱体呈正交状摆放，且端部交替错开，使奇数层相邻单层箱体或偶数层相邻单层箱体的端部之间形成卡入所述横梁的槽体，所述单层箱体内设有多条并行的用于安装探测器晶体的方型管腔。

在上述内容的基础上，进一步改进的技术方案还包括：

作为优选，所述单层箱体、立柱、横梁为非金属纤维增强材料，如碳纤维增强复合材料等，以减少空间晶体阵列周围的金属结构，降低因金属结构带来的次级粒子干扰，并降低重量。

所述方型管腔的尺寸大于单根晶体的尺寸，其与单根晶体宽、高尺寸差为0.8～2mm，相邻方型管腔之间的间隔亦为0.8～2mm。单层箱体的方型管腔长于晶体本身长度，这样可以在晶体两端耦合光电读出器件，互为耦合备份，为解决空间探测晶体阵列设计双端光电读出冗余备份的问题提供安装空间。

所述横梁内设有预埋件，所述预埋件上设有螺纹孔，横梁对准预埋件螺纹孔的位置设有对应的通孔，考虑到螺纹通孔的加工可能会引入大量材料屑，所述预埋件上的螺纹孔均设计为盲孔。所述预埋件可进一步设为中部设有空腔的“回”字形预埋件。

所述底座内部设有蜂窝结构，所述蜂窝结构包括蜂窝芯、蜂窝顶部蒙皮、蜂窝底部蒙皮，所述蜂窝结构的上方设有一加强板，上述蒙皮和加强板均为碳纤维或碳纤维增强复合材料。所述蜂窝底部蒙皮的下方可增设一层铝蒙皮，所述蜂窝芯优选采用铝合金材料制成。

为保障强刚度要求，所述蜂窝结构内部还设有加强梁，所述加强梁包括四根合围拼成矩形框的框架和位于所述矩形框内的X型支撑梁。

位于框型承力结构四角的立柱底端设有预埋件，所述预埋件位于底座的蜂窝结构内，利用预埋件侧面榫头将各框架和X型支撑梁连接起来，预埋件上部的榫头穿过蜂窝顶部蒙皮与立柱连接。

所述框架、X型支撑梁内设有预埋件，所述预埋件为中部设有两个上下叠置空腔的“日”字型预埋件，所述预埋件上设有用于与外部连接的接口，框架、X型支撑梁对应所述接口的位置设有通孔。

本发明用于空间晶体阵列探测器的安装与定位，为空间粒子能量大动态范围测量的难题提供解决可能，使得安装有晶体阵列的探测器能够通过空间力学环境的考核，使其满足发射环境需求，且结构设计新颖，易于实现。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图；

图2为箱型主结构的结构示意图；

图3为单层箱体的结构示意图；

图4为框型承力结构横梁的结构示意图；

图5为框型承力结构立柱的结构示意图；

图6为立柱的局部放大结构示意图；

图7为框型承力结构的结构示意图；

图8为“回”字型预埋件的结构示意图；

图9为立柱顶端预埋件的结构示意图；

图10为立柱底端预埋件的结构示意图一；

图11为立柱底端预埋件的结构示意图二；

图12底座的结构示意图；

图13为X型支撑梁结构示意图；

图14为框架的结构示意图；

图15为“日”字型预埋件的结构示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

如图1所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，按结构功能主要分为三大部分，分别为框型承力结构1、箱型主结构2、底座3。

所述箱型主结构2由多个上下叠加并胶接的矩形单层箱体201构成，相邻单层箱体201之间按照正交的方式摆放排列，且端部交替错开，使奇数层相邻单层箱体或偶数层相邻单层箱体的端部之间形成卡入框型承力结构1横梁的槽体207。每层单层箱体201内设有多条并行的用于安装探测器晶体的方型管腔，如图1至图3所示，所述单层箱体201为碳纤维增强复合材料（CFRP），例如M55J/AG80材料等。

箱型主结构2层数和每层方型管腔的数量根据物理设计需求变化，一般而言，所述方型管腔内壁尺寸应略大于单根晶体的尺寸，取0.8～2mm为宜，管腔之间的间隔也是如此，过小不利于晶体的固定，过大则会因为相邻晶体间隙影响探测；层与层之间的间隔也不应过大或过小，过大影响产品的包络尺寸，也会在一定程度上影响探测，过小则会对结构的强度造成不利影响。在本实施例中，箱型主结构2由14个单层箱体201顺次正交叠摞放置后形成，如图2所示，相邻单层箱体201之间通过胶接固定，每层有22条并行的方形管腔（单个管腔内壁尺寸26*26mm²，长度700mm，管腔横截面宽、高尺寸公差不超过0.1mm的正差），相邻方形管腔的间隔优选为1.5mm，上下层管腔之间的间隔优选设为3mm。单层箱体201可以由相应数量的单管并行胶接形成，也可以根据需要将单层直接整体成型。无论何种方式，管腔与管腔之间的间隙应保证在相应的公差范围，不允许累积。

所述箱型主结构2为空间晶体的阵列提供安装与定位，从而解决空间大动态范围粒子能量测量的难题。放置晶体的方型管腔长度应长于晶体本身，这样为设置在晶体两端的光电读出器件（光电倍增管，后称PMT）及其保护套筒提供安装位置。同时因为晶体阵列有效探测面积内，全部为碳纤维胶接结构，并未引入任何金属物质，减少空间晶体阵列周围的金属结构，降低因金属结构带来次级粒子的干扰。

如图1、图4、图7所示，框型承力结构1主要由若干CFRP管状横梁102和位于单层箱体201四角的CFRP管状立柱101胶接组成，所述横梁102的外部尺寸设为38mm×29mm×624mm，管壁厚4mm；立柱101的主体截面外部尺寸为38mm×38mm，管壁厚4mm。四根立柱101的两侧均设计有榫头结构，管壁厚2mm，用于与横梁102胶接形成如图7所示的承力框体。所述框型承力框架结构1用于支撑箱型主结构，进行力的传递，分解BGO晶体重量到单层横梁、并通过预埋件为PMT保护套筒提供螺钉紧固位置。

横梁102的内部设置2A12铝合金结构预埋件，提供连接外部的螺纹，用作外部接口，预埋件设计成“回”型，包括如图8所示的三种类型，也可以作为横梁102强刚度的补强措施。考虑到预埋件螺纹通孔可能会引入大量的铝屑，很难清理干净，从而影响产品的电联试，因此将预埋件螺纹孔设计为盲孔。立柱101四周留有用于与横梁102榫接的突出榫状结构，即榫头，同时榫状结构中也可以设置结构预埋件提供螺纹接口。立柱101的顶端和底部也分别胶接或螺接有预埋件，顶部预埋件103用于提供吊装孔位，底部预埋件104用于与位于其底部的结构连接。

所述框型承力结构1提供外围读出电子学的安装结构接口，如上文所述，箱型主结构2为晶体双端光电器件的读出提供安装，本处在横梁内预制埋件，同时提供相应的螺纹孔，可以让外围读出电子学结构紧固。

所述底座3的设置是为了对探测器主结构进行有效可靠的支撑，同时预留与卫星平台连接的接口，如图12所示。

本实施例中，所述底座3整体高度设为51.5mm，中部设有蜂窝结构以及盖在蜂窝结构上方的15mm碳纤维实心加强板301，所述加强板板301用以提高纵向产品刚度。所述蜂窝结构的蜂窝芯采用LF2Y，箔厚0.05mm，边长3mm的致密有孔耐久铝合金蜂窝，为了保证强刚度要求，可进一步在蜂窝结构内设置加强结构，包括四周框架303与中心的X型支撑梁306。为了保证底座结构的整体性，除了加强板301与箱型主结构2的最下层采用胶接外，底座3设计中采用了十字接头以及四角处立柱底端预埋件104上设置的榫头将所有框架303和支撑梁306连接起来。所述框架303、X型支撑梁306内均设置带有螺纹孔的“日”字型预埋件307，一方面留作与卫星平台连接的接口，另一方面也是在纵向作为框架303以及X型支撑梁306补强。为了保证底座结构的整体性，所述蜂窝结构在蜂窝芯顶部设计了一层“几”字型整体蒙皮302，用于胶接横梁102与蜂窝结构，在最底部蒙皮304外再贴一层薄铝皮305（厚度约1.5mm），经铣削后保证底面的有较高的安装面精度，使之与卫星平台连接均匀受力。底座内蜂窝结构的设计，减轻产品重量。

将以上箱型主结构2、框型承力结构1及底座胶结之后，即形成如图1所示的整体结构。

从上述结构设计可以看出，卫星发射时，由底部传力，至底座结构后，经四角预埋件传至箱型承力结构，绝大部分由其立柱与横梁分担，同时底座加入一层碳纤维板，增加纵向刚度，也从另一方面减少了晶体的形变，优化了传力路径，减少卫星主动段的传力给晶体，减小晶体的变形。同时，整体采取碳纤维增强复合材料的结构设计，相比于以往载荷探测器铝合金支撑结构，节省了重量，提高了荷重比，增加了结构的使用效率（本实施例产品质量104Kg，探测器及外围读出电子学总重量达到950kg，荷重比达到1:9.1）。整体结构的顶部还提供了钨板安装接口，安装钨板后总重量达到1094Kg，荷载比达到（1:10.66）。产品设计完成后，均一次性通过了卫星的各项环境试验考核，满足空间特殊环境对结构的要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，包括底座以及固定在底座上方的框型承力结构（1）、箱型主结构（2）：

所述框型承力结构（1）包括多个立柱（101）和连接相邻立柱的横梁（102）；

所述箱型主结构（2）设置在框型承力结构立柱（101）与横梁（102）合围构成的框体内，箱型主结构（2）由多个单层箱体（201）在竖向上叠加构成，上、下相邻单层箱体（201）呈正交摆放，且端部交替错开，使奇数层相邻单层箱体或偶数层相邻单层箱体的端部之间形成卡入所述横梁（102）的槽体（207），所述单层箱体（201）内设有多条并行的用于安装探测器晶体的方型管腔。

2.根据权利要求1所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，所述单层箱体（201）、立柱（101）、横梁（102）为非金属纤维增强复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，所述方型管腔的尺寸大于单根晶体的尺寸，其与单根晶体宽、高尺寸差为0.8～2mm，相邻方型管腔之间的间隔亦为0.8～2mm。

4.根据权利要求1所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，所述横梁（102）内设有预埋件（105，106，107），所述预埋件（105，106，107）上设有螺纹孔，横梁（102）对准预埋件螺纹孔的位置设有对应的通孔，所述预埋件螺纹孔均为盲孔。 

5.根据权利要求4所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，所述预埋件（105，106，107）为中部设有空腔的“回”字形预埋件。

6.根据权利要求1-5中任一权项所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，所述底座（3）内部设有蜂窝结构，所述蜂窝结构包括蜂窝芯、蜂窝顶部蒙皮（302）、蜂窝底部蒙皮（304），所述蜂窝结构的上方设有一加强板（301），上述蒙皮和加强板（301）均为碳纤维或碳纤维增强复合材料。

7.根据权利要求6所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，所述蜂窝底部蒙皮（304）的下方还设有一层铝蒙皮（305）。

8.根据权利要求6所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，所述蜂窝结构内部还设有加强梁，所述加强梁包括四根合围拼成矩形框的框架（303）和位于所述矩形框内的X型支撑梁（306）。

9.根据权利要求8所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，位于框型承力结构（1）四角的立柱（101）底端设有预埋件（104），所述预埋件（104）位于底座的蜂窝结构内，通过所述预埋件（104）侧面榫头将各框架（303）和X型支撑梁（306）连接起来，预埋件（104）的上部榫头穿过蜂窝顶部蒙皮（302）与立柱（101）连接。

10.根据权利要求8所述的一种星载空间晶体阵列探测器的保护结构，其特征在于，所述框架(303)、X型支撑梁（306）内设有“日”字型预埋件，所述“日”字型预埋件中部设有两个上下叠置的空腔，所述“日”字型预埋件上设有用于与外部连接的接口，框架(303)、X型支撑梁（306）对应所述接口的位置设有通孔。