CN105947236B - 一种卫星系统用载荷适配结构的生成方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星系统用载荷适配结构的生成方法，其包括：步骤1，铺腹板：将若干个C型腹板拼接成一个以上的封闭区域；步骤2，生成适配结构封闭区域的弧边：在对应的C型腹板上同向铺放C型腹板；生成适配结构封闭区域的直边：在对应的C型腹板上反向拼接C型腹板；步骤3，将一个以上的封闭区域组装成适配结构的形状，在适配结构的所有直边和弧边上铺放翼板；在承载区的翼板要连续铺放，在非承载区的翼板上设计断点；铺放为多层不同向的方式，断点为同层不同向的方式。本发明提高了载荷适配结构在轨长期使用的尺寸稳定性能和承载质量比，并为相机等大型载荷提供安装基础面。

Description

一种卫星系统用载荷适配结构的生成方法

技术领域

本发明属于航天器结构领域，尤其涉及一种卫星系统用载荷适配结构的生成方法。

背景技术

航天器在轨运行时，处于高真空、冷热交变环境，并受到宇宙射线、太阳辐射、高能粒子、等离子体、原子氧等各种空间因素的损伤、破坏，严重的威胁着在轨航天器的可靠性与安全性。空间环境因素以不同的方式引发航天器材料性能的变化、损伤乃至破坏，导致材料的基本性能如力学性能、热膨胀系数变化，进而影响一些星上高精度载荷性能，如高分辨对地观测卫星相机的成像精度，甚至严重威胁到航天器在轨运行的安全与寿命。

在遥感卫星领域，为满足更高的对地观测的精度要求，一方面需要提高星载相机、合成孔径雷达(SAR)等有效载荷的性能，另一方面对支撑这些载荷的结构件在轨长期保持相对位置、外形尺寸稳定不变的性能也提出了更高的要求。根据现有文献资料，热变形是导致在轨运行航天器结构尺寸稳定的关键因素。因此，选用具有低膨胀系数性能的复合材料是提高航天器尺寸稳定性的重要手段，而具有低热膨胀系数的碳纤维/环氧树脂复合材料是理想选择。通过以特定方向结构的尺寸稳定性为设计目标，将铺层设计、结构构型与工艺实现相结合，可获得结构在某一特定方向上的高尺寸稳定性设计。

目前，随着用户对观测精度要求的提高，对卫星用支撑结构提出了更高的要求。一方面要有更大的承载能力，另一方面要求支撑结构具有更高的尺寸稳定性。而目前国内遥感卫星使用的相机支撑结构存在如下问题：

(1)此类支撑结构大多为金属类支架——尺寸热稳定性差、承载质量比低；

(2)现有的复材支架多用准各向同性铺层，未发挥复材结构性能可设计的特点，另外在高稳定性设计上很多结构更多的是保证一个维度的稳定性，如各种杆件、梁等结构，只在长度一个方向保证尺寸变形最小，在另两个维度上未实现相同的效果。对于一个圆管，要保证轴向尺寸稳定性，现有技术通过准各向同性铺层固化生成圆管，仅实现一个维度的稳定性。但是随着用户对观测精度要求的提高，尤其是相机及对指向精度有较高要求的载荷设备，这些载荷在轨指向精度要求很高，并且需要保持在轨长期稳定不变，但是现有技术并未查到相关资料达到上述目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种卫星系统用载荷适配结构的生成方法,其提高了载荷适配结构在轨长期使用的尺寸稳定性能和承载质量比，并为相机等大型载荷提供安装基础面。

一种卫星系统用载荷适配结构的生成方法，其包括以下步骤：

步骤1，铺腹板：将若干个C型腹板拼接成一个以上的封闭区域；

步骤2，生成适配结构封闭区域的弧边：在对应的C型腹板上同向铺放C型腹板；

生成适配结构封闭区域的直边：在对应的C型腹板上反向拼接C型腹板；

步骤3，将一个以上的封闭区域组装成适配结构的形状，在适配结构的所有直边和弧边上铺放翼板；在承载区的翼板要连续铺放，在非承载区的翼板上设计断点；

其中，铺放为多层不同向的方式，即多个单层无维布以90°/+45°/0°/-45°/0°/0°/-45°/0°/+45°/90°依次铺放形成1个单元，重复1个单元的铺放，断点为同层不同向的方式。

效果较好的，所述无维布由碳纤维复合材料制成。

有益效果：

本发明实现了二维尺寸高稳定性设计：通过在构型中的组合设计，加之铺层角度、层数的综合设计，实现了大跨度的二维尺寸高稳定性设计，充分发挥了复合材料结构性能可设计的优点，高稳定性设计指标——有效载荷安装面面内结构单向变形比达到≤0.5×10^-6m/m℃，这是传统铸镁或铸铝材料支架所无法企及的设计指标；

与传统的金属结构相比，复合材料载荷适配结构具有更高的承载质量比，可承载相机重量为1000kg，而载荷适配结构重量为30kg，其承载质量比为33.3；目前国内遥感卫星领域用金属结构支撑的最重的相机重量为750kg，其结构重量为75kg，为铸镁合金结构，此产品的承载质量比为10，性能提高了233％；

附图说明

图1为本发明的卫星系统用载荷适配结构的生成方法生成的载荷适配结构示意图；

图2a为本发明的C字梁结构示意图；

图2b为本发明的工字梁结构示意图；

图3a为本发明的C字梁结构铺层示意图；

图3b为本发明的工字梁结构铺层示意图；

图4为本发明的卫星系统用载荷适配结构的生成方法生成的载荷适配结构组成示意图；

图5为本发明的断点示意图。

具体实施方式

下面结合附图以某卫星上用于承载相机、星敏的载荷适配结构为例，对本发明进行进一步阐述，该产品外形尺寸为2200mm(长)×1400mm(宽)×100mm(高)。

载荷适配结构的承载和热稳定性设计均通过构型结合铺层设计来实现：

相机承载区位于如附图1所示的中间环形部分1，为“C型梁”结构，在梁的翼板上开孔，提供连接接口；星敏感器的承载区、结构连接点均位于圆框四周的“工字梁”2中，于如附图1所示，均在梁的翼板上开孔，提供连接接口；通过有限元分析的方法，针对面内二维尺寸稳定性进行仿真分析，将各梁的宽度、壁厚、以及铺层角度、层数等设计参数进行优化设计，综合确定力学支撑性能与热稳定性，确定圆框与周围“工字梁”的连接位置。其中，“C字梁”由C型腹板上同向铺放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。

载荷适配结构热稳定性和力学性质均是通过有效的铺层来实现的，因此其设计的核心是铺层设计，即要最大程度保证铺层的连续性，又要最大程度保证铺层的完整性。为保证结构在平面内具有较高的尺寸稳定性，根据复合材料铺层与宏观各个方向热膨胀系数相关的特点，在每一个工艺单元内，沿柱面高度方向以[(90°/+45°/0°/-45°/0°)s]4顺序设计铺层，水平面内沿每个工艺单元的径向以[(90°/+45°/0°/-45°/0°)s]4顺序设计铺层，通过这一铺层设计，可以保证在放松高度方向热稳定性的同时，提高面内的尺寸稳定性。定义垂直于图示平面方向为90°层方向，单层无纬布厚0.1mm；如附图2a和图2b所示，在载荷适配结构中间环形部分1为“C型梁”结构，其余位置2的几何形式均为“工字梁”结构；“工字梁”为组合铺层结构，如图3a所示，中间腹板3为两侧“C字梁”以半厚度尺寸对称铺层拼接成型，而后在上下表面铺放另一半厚度铺层4的翼板，整体固化形成“工字梁”结构；中间圆环区域的C字梁结构中，如图3b所示，为保证与其它部分“工字梁”结构的连续性，铺层也分为内部腹板3部分和外部翼板5部分，内部腹板3与相邻的直边组成封闭的腹板铺层单元，如图4中1-1、……、1-8所示；为保证腹板3铺层连续，根据几何区域分成18个腹板3的铺层单元，如图4所示，其中形状相同或镜像的为一类，共4类，第1类为中间圆弧与相邻直边形成的闭腔区域单元，即1-1、……、1-8共8处，第2类为两侧大尺寸直角梯形闭腔区域单元，即2-1、……、2-4共4处，第3类为两侧小尺寸直角梯形闭腔区域单元，即3-1、……、3-4共4处，第4类为外侧框的腹板部分，为保证工艺实现的可行性，将其分为上下两半，即4-1、4-2共2处，其余均为环形闭腔单元；

由于结构中承载相机的圆框受局部载荷较大，而且此处有全部相机接口，完整的铺层也有助于保证结构上相机安装位置一致的热稳定性，综合考虑应尽可能保证此处铺层的连续，因此，翼板铺层设计以圆框为基准，从中间柱面开始铺层，向上下表面翻折，并向周围分散铺放，由于构型中圆弧、直边、斜边相交出现，纤维铺放过程中遇几何方向变化时，纤维出现铺放的断点位置，为确保圆框铺层连续性，将不可避免的断点位置全部设计在圆框周围的直边上，以保证圆框本身及与其相连的斜边的铺层完整连续，4种角度铺放过程中均在相似位置设置断点，断点在直边上位置1，断点在斜边上位置2，具体在每层铺层时，断点位置依次错开一段距离，使拼缝错位不重合，实现同层异向铺层，如图5所示，图5中10层连续铺放的角度仍为90°/+45°/0°/-45°/0°/0°/-45°/0°/+45°/90°，在此仅为凸显10层对接铺放的断点。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种卫星系统用载荷适配结构的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，铺腹板：将若干个C型腹板拼接成一个以上的封闭区域；

步骤2，生成适配结构封闭区域的弧边：在对应的C型腹板上同向铺放C型腹板；

生成适配结构封闭区域的直边：在对应的C型腹板上反向拼接C型腹板；

步骤3，将一个以上的封闭区域组装成适配结构的形状，在适配结构的所有直边和弧边上铺放翼板；在承载区的翼板要连续铺放，在直边的翼板上设计断点；

其中，铺放为多层不同向的方式，即多个单层无维布以90°/+45°/0°/-45°/0°/0°/-45°/0°/+45°/90°依次铺放形成1个单元，重复1个单元的铺放，断点为同层不同向的方式。

2.如权利要求1所述的卫星系统用载荷适配结构的生成方法，其特征在于，所述无维布由碳纤维复合材料制成。