CN105883003A - 基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构 - Google Patents

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张翔
王忠强
曾玉堂
廖文和
莫乾坤
于永军
郑侃
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Abstract

本发明公开了一种基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，包括箱体、支角、第一固定框架、第二固定框架、螺柱和金属盖板，四根螺柱呈梯形分布，其两端分别设有第一固定框架，中间设有第二固定框架，四根螺柱、第一固定框架和第二固定框架共同构成承重框架，箱体为一侧无盖箱体，所述承重框架设置在箱体内，金属盖板设置在箱体的无盖端，箱体顶部和底部的四个角上分别设有支角。本发明在轻量化立方星的同时提升结构强度与刚度并解决热控问题。

Description

基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构
技术领域
本发明属于立方星技术，特别是一种基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构。
背景技术
众所周知，航天器结构与机构的性能，特别是航天器结构的性能很大程度上取决于材料的性能。在立方星发展过程中，设计师一直在追求如何减轻立方星的质量，因为立方星的减重可以增加有效载荷，带来极其可观的效益。同时，在立方星发射环境中，受到很大的加速度过载和强烈的振动，为了避免立方星与发射系统产生共振，要求立方星有足够的强度；由于立方星大多数采用薄壁结构，要求卫星的结构材料有较高的刚度。
碳纤维复合材料的比强度、比模量比铝合金材料高，抗拉强度为钢材的10倍，具有极高的疲劳极限，密度仅为铝材料的2/3。同时，碳纤维复合材料具有良好的尺寸稳定性，能够在太空高低温交变环境中保证结构尺寸的稳定。国外已经开始将碳纤维复合材料应用到立方星的研发中，挪威理工大学成功发射一颗双单元立方星NTNU，其主框架采用四根铝合金杆件与六个碳纤维复合板组合的结构，组成结构装配复杂，开敞性比较差。
中国专利2015CN105083590A，公开了多单元立方星主承力结构，其外框采用铝合金框架，框架表面要安装PCB-Al-PCB侧板与太阳能展开阵连接，结构复杂，而且增加了立方星的结构质量，降低了载荷结构质量比，降低了结构的强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，在轻量化立方星的同时提升结构强度与刚度并解决热控问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，包括箱体、支角、第一固定框架、第二固定框架、螺柱和金属盖板，四根螺柱呈梯形分布，其两端分别设有第一固定框架，中间设有第二固定框架，四根螺柱、第一固定框架和第二固定框架共同构成承重框架，箱体为一侧无盖箱体，所述承重框架设置在箱体内，金属盖板设置在箱体的无盖端，箱体顶部和底部的四个角上分别设有支角。
所述箱体和支角均采用碳纤维复合材料。
上述碳纤维复合材料选用碳纤维/环氧树脂复合材料。
所述的箱体的内壁面上均涂有Ti系列隔热涂层。
所述第二固定框架与箱体连接处的箱体上设有加强筋，隔热涂层涂覆在相邻的两根加强筋之间。
所述第一固定框架与箱体连接处的箱体上设有加强筋，隔热涂层涂覆在相邻的两根加强筋之间。
所述支角的外壁面与其对应的箱体的侧板外壁面位于同一个平面；与其对应的金属盖板外壁位于同一个平面。
所述的箱体与两端的第一固定框架、第二固定框架之间的配合均为间隙配合。
所述金属盖板外壁涂覆白漆。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）箱体采用碳纤维复合材料，半封闭箱体的结构设计及碳纤维复合材料的使用极大的提高了结构的刚度与强度，同时大大降低了立方星结构质量。
（2）太阳能电池阵可以直接设在箱体外壁，减少零件的数量，降低装配难度与结构质量。
（3）箱体采用一体化成型，保证了各个面的平面度，防止在发射过程中立方星卡死在发射机构中。
（4）装配方便，将内部电子器件全部与承重框架装配好后放入箱体中，保证了电子器件的完成性，提高了整体结构的稳定性，使得立方星整体抗冲击能力增强。
（5）在箱体内壁的五个面涂覆隔热涂层，降低太阳辐射产生的热量对星体内部的温度平衡产生的影响，保证星体内部温度在正常工作范围内。
（6）采用金属盖板，此面作为散热面，保证星体内外可以进行热交换，防止星体内部温度过高导致立方星失效。
（7）金属盖板外壁涂覆白漆，减少对太阳能的吸收，增加表面的热辐射，延长空间飞行器的使用寿命。
附图说明
图1为本发明基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构的示意图。
图2为本发明基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构的金属盖板示意图。
图3为本发明实施例1中带有太阳能电池阵的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，一种基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，包括箱体1、支角2、第一固定框架3、第二固定框架4、螺柱5和金属盖板6，四根螺柱5呈梯形分布，其两端分别设有第一固定框架3，中间设有第二固定框架4，四根螺柱5、第一固定框架3和第二固定框架4共同构成承重框架，箱体1为一侧无盖箱体，所述承重框架设置在箱体1内，金属盖板6设置在箱体1的无盖端，箱体1顶部和底部的四个角上分别设有支角2，支角2对立方星起支撑作用。
所述箱体1和支角2均采用碳纤维复合材料。所述碳纤维复合材料选用碳纤维/环氧树脂复合材料。复合材料的使用提高了结构的刚度与强度，同时大大降低了立方星结构质量。
所述的箱体1的内壁面上涂有Ti系列隔热涂层Ti502，降低太阳辐射产生的热量对星体内部的温度平衡产生的影响，保证星体内部温度在正常工作范围内。
所述第二固定框架4与箱体1连接处的箱体1上设有加强筋，隔热涂层涂覆在相邻的两根加强筋之间。
所述第一固定框架3与箱体1连接处的箱体1上设有加强筋，隔热涂层涂覆在相邻的两根加强筋之间。
所述支角2的外壁面与其对应的箱体1的侧板外壁面位于同一个平面，且与其对应的金属盖板6外壁位于同一个平面，防止在发射过程中立方星卡死在发射机构中。
所述金属盖板6作为散热面，保证星体内外可以进行热交换，防止星体内部温度过高导致立方星失效。
所述金属盖板6外壁涂覆SR107白漆，减少对太阳能的吸收，增加表面的热辐射，延长空间飞行器的使用寿命。
所述的箱体1与两端的第一固定框架3、第二固定框架4之间的配合均为间隙配合。
实施例1
结合图1、图2和图3，一种基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，包括箱体1、支角2、第一固定框架3、第二固定框架4、螺柱5和金属盖板6，四根螺柱5呈梯形分布，其两端分别设有第一固定框架3，中间设有第二固定框架4，四根螺柱5、第一固定框架3和第二固定框架4共同构成承重框架，箱体1为一侧无盖箱体，所述承重框架设置在箱体1内，通过螺钉固连，金属盖板6通过螺钉固定在箱体1的无盖端，箱体1顶部和底部的四个角上分别胶接支角2，支角2对立方形起支撑作用。太阳能电池阵直接设定在箱体的外壁，减少零部件的数量，降低结构重量。
所述箱体1采用T700碳纤维/环氧树脂复合材料。复合材料的使用提高了结构的刚度与强度，同时大大降低了立方星结构质量。
所述的箱体1的内壁面上涂有Ti系列隔热涂层Ti502，降低太阳辐射产生的热量对星体内部的温度平衡产生的影响，保证星体内部温度在正常工作范围内。
所述第二固定框架4与箱体1连接处的箱体1上设有加强筋，隔热涂层涂覆在相邻的两根加强筋之间。
所述第一固定框架3与箱体1连接处的箱体1上设有加强筋，隔热涂层涂覆在相邻的两根加强筋之间。
所述支角2的外壁面与其对应的箱体1的侧板外壁面位于同一个平面，且与其对应的金属盖板6外壁位于同一个平面，防止在发射过程中立方星卡死在发射机构中。
所述金属盖板6，作为散热面，保证星体内外可以进行热交换，防止星体内部温度过高导致立方星失效。
所述金属盖板6外壁涂覆SR107白漆，减少对太阳能的吸收，增加表面的热辐射，延长空间飞行器的使用寿命。
所述的箱体1与两端的第一固定框架3、第二固定框架4之间的配合均为间隙配合。

Claims (9)

1.一种基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：包括箱体（1）、支角（2）、第一固定框架（3）、第二固定框架（4）、螺柱（5）和金属盖板（6），四根螺柱（5）呈梯形分布，其两端分别设有第一固定框架（3），中间设有第二固定框架（4），四根螺柱（5）、第一固定框架（3）和第二固定框架（4）共同构成承重框架，箱体（1）为一侧无盖箱体，所述承重框架设置在箱体（1）内，金属盖板（6）设置在箱体（1）的无盖端，箱体（1）顶部和底部的四个角上分别设有支角（2）。
2.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：所述箱体（1）和支角（2）均采用碳纤维复合材料。
3.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：上述碳纤维复合材料选用碳纤维/环氧树脂复合材料。
4.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：所述的箱体（1）的内壁面上均涂有隔热涂层。
5.根据权利要求4所述的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：所述第二固定框架（4）与箱体（1）连接处的箱体（1）上设有加强筋，隔热涂层涂覆在相邻的两根加强筋之间。
6.根据权利要求4所述的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：所述第一固定框架（3）与箱体（1）连接处的箱体（1）上设有加强筋，隔热涂层涂覆在相邻的两根加强筋之间。
7.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：所述支角（2）的外壁面与其对应的箱体（1）的侧板外壁面位于同一个平面；与其对应的金属盖板（6）外壁位于同一个平面。
8.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：所述的箱体（1）与两端的第一固定框架（3）、第二固定框架（4）之间的配合均为间隙配合。
9.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的多单元立方星主承力结构，其特征在于：所述金属盖板（6）外壁涂覆白漆。
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