CN106394932B - 一种具有高水平微重力环境的返回式卫星 - Google Patents

一种具有高水平微重力环境的返回式卫星 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有高水平微重力环境的返回式卫星，包括返回舱、制动舱、服务舱和密封舱，密封舱底部的下封顶为外凸的圆形曲面薄壳结构，下封顶圆周边缘设置有6个姿控推力器安装孔，每个安装孔的外缘焊接有姿控推力器安装支架，姿控推力器的推力不大于2N，每个安装支架的外缘均设置有约束阻尼层，所述约束阻尼层由约束层和阻尼层粘合在一起，约束层和阻尼层为尺寸相同的圆环；服务舱内设置有卫星上的微振动源，返回舱和密封舱内设置有微重力实验载荷，微振动源与微重力实验载荷之间设置不少于5个的螺栓连接，本发明着重解决姿控推力器和流体回路系统对返回式卫星微重力环节的扰动，使返回式卫星的瞬态微振动和微振动环境取得较大的提升。

Description

一种具有高水平微重力环境的返回式卫星
技术领域
本发明涉及微重力环境的技术领域，具体涉及一种具有高水平微重力环境的返回式卫星。
背景技术
空间微重力科学试验通常期望在完全失重的条件下进行，返回式卫星部分实验载荷甚至可以敏感到低于10－6g0的准稳态微重力加速度，但由于大气阻力、潮汐力、太阳光压、姿态轨道控制、星上运动部件等干扰因素的存在，使得卫星在轨受到一定的非保守力作用。而且由于空间科学实验卫星一般载荷数量较大，造成功耗较高，星上通常具有风扇、流体回路系统等具备大量运动部件的设备，加之卫星所需的姿态、轨道控制执行机构等扰动源，不可避免的影响高水平微重力环境的获取，微重力环境水平直接影响着实验结果，如果航天器微重力环境较差，可能使得实验结果较差，甚至使实验达不到其科学研究目标，从而对空间科学实验的结果造成影响。因此，提高微重力水平，降低扰动源的影响，是空间科学卫星十分重要的研究课题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有高水平微重力环境的返回式卫星，着重解决姿控推力器和流体回路系统对返回式卫星微重力环节的扰动，进而使返回式卫星的瞬态微振动和微振动环境取得较大的提升。
实现本发明的技术方案如下：
一种具有高水平微重力环境的返回式卫星，包括返回舱、制动舱、服务舱和密封舱；
密封舱底部的下封顶为外凸的圆形曲面薄壳结构，下封顶圆周边缘设置有6个姿控推力器安装孔，每个安装孔的外缘焊接有姿控推力器安装支架，所述姿控推力器的推力不大于2N，每个安装支架的外缘均设置有约束阻尼层，所述约束阻尼层由约束层和阻尼层粘合在一起，约束层和阻尼层为尺寸相同的圆环；约束层为金属薄片，阻尼层为薄膜结构；
服务舱内设置有卫星上的微振动源，返回舱和密封舱内设置有微重力实验载荷，微振动源与微重力实验载荷之间设置不少于5个的螺栓连接。
进一步地，下封顶的材料为铝合金，厚度为2.5mm。
进一步地，约束层的材料为铝合金，厚度为2mm。
进一步地，阻尼层的材料为ZN－1阻尼材料，厚度为0.3mm.。
有益效果：
针对微重力环境的两个组成部分：瞬态振动和微振动，针对瞬态振动本发明采用具备一定柔性的薄壳型铝制下封顶作为姿控推力组件的安装结构，并在姿控推力组件周围铺设约束阻尼层，可有效隔离推力器工作产生的瞬态振动；针对微振动本发明采用分舱段的设计方式，将星上微振动源与微重力实验载荷安装于不同舱段，并在微振动源同微重力实验载荷安装位置间通过不少于5个螺栓连接环节进行连接，用于振动衰减，降低微振动的影响。最终使得星上微重力环境水平获得显著改善，为微重力实验项目提供良好的实验环境。
附图说明
图1a为下封顶主视图。
图1b为下封顶左视图。
图1c为下封顶的姿控推力器安装孔的局部放大图。
图2a为姿控推力器安装支架主视图。
图2b为姿控推力器安装支架A－A剖视图。
图3a为约束阻尼层的主视图。
图3b为约束阻尼层的B－B剖面图。
图4为连接螺栓的结构示意图。
图5为卫星流体回路系统和载荷的安装舱段示意图。
其中，1－姿控推力器安装孔，2－阻尼层，3－姿控推力器安装支架上的螺纹孔，4－螺栓。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图5所示，本发明提供了一种具有高水平微重力环境的返回式卫星，包括返回舱、制动舱、服务舱和密封舱；
如图1a和图1b所示，密封舱底部的下封顶为外凸的圆形曲面薄壳结构，其为球状薄壳型结构的一部分，下封顶的材料为铝合金。下封顶具有一定柔性，由于柔性下封顶刚度较低，可有效隔离推力器工作产生的高频瞬态振动。
下封顶圆周边缘设置有6个姿控推力器安装孔，如图1c所示，每个安装孔的外缘焊接有姿控推力器安装支架，姿控推力器通过螺纹固定安装在其安装支架上；姿控推力器的推力不大于2N。使用小推力的姿控推力器的分析：
姿控推力器引起的姿态加速度可由下式计算：
a)俯仰方向
b)偏航方向
c)滚动方向
式中为推力器推力，计算俯仰、偏航方向加速度时与质心距离取3m，计算滚动方向加速度时与质心距离取1.1m，绕X、Y、Z轴的转动惯量Ix、Iy和Iz分别取1481.5kg·m2，9754.2kg·m2，和9684.8kg·m2。
可见推力的大小直接影响到瞬态加速度的大小，为使返回式卫星的瞬态加速度环境满足载荷要求(一般对准稳态微重力的扰动不应大于10－5g0)，姿控推力器推力应在2N以下。
每个安装支架的外缘均设置有约束阻尼层，所述约束阻尼层由约束层和阻尼层粘合在一起，约束层和阻尼层为尺寸相同的圆环；约束层为金属薄片，阻尼层为薄膜结构；约束层的材料为铝合金，阻尼层的材料为ZN－1阻尼材料。在推力器安装位置周围实施约束阻尼层进行振动抑制，实现低频瞬态振动的衰减；
卫星下封顶采用柔性设计，有效隔离高频振动；并对推力器采用约束阻尼层减振，对低频振动进行衰减，由此综合降低推力器的瞬态加速度影响。
返回式卫星姿控推力器安装在下封顶外侧，为隔离推力器工作时产生的瞬态微振动，采用刚度较低的下封顶，具体为采用铝制薄壳型结构，推力器安装支架如图2a和图2b所示，焊接在图1a所示的1位置，安装推力器后，由于薄壳型下封顶的柔性较大，安装支架处固有频率较低，可有效隔离姿控推力器工作时产生的高频瞬态振动。
下封顶六个姿控推力器安装支架周围均安装有约束阻尼层，如图3a和图3b所示，布置在薄壳型结构表面，用于衰减低频微振动的影响；约束层和阻尼层厚度见表1。其中约束层和推力器所在的薄壳型结构均为铝合金，阻尼层采用ZN－1阻尼材料，材料性能见表2。
表1约束层和阻尼层厚度
表2材料性能
材料 弹性模量(MPa) 泊松比 密度(kg/m3) 阻尼系数
ZN－1 4.62MPa 0.499 1 1.05
约束层 70Gpa 0.33 2700Kg/m3 /
薄壳型结构 70Gpa 0.33 2700Kg/m3 /
通过有限元分析，采用以上约束阻尼层设计后，可将推力器引起的低频瞬态微振动降低75％左右。
服务舱内设置有卫星上的微振动源，返回舱和密封舱内设置有微重力实验载荷，将振动峰值大于5×10－3mg0的微振动源与微重力实验载荷分不同舱段安装，微振动源与实验载荷之间设置不少于5个的螺栓连接，用于振动衰减，降低微振动的影响。如图4所示，为螺栓结构。
返回式卫星最主要的微振动振源为流体回路系统中的泵和阀，如图5所示，实验载荷安装于回收舱和密封舱，将泵安装于服务舱，从泵安装位置到载荷安装位置之间的路径采用不少于5个的螺栓连接环节，每通过一个螺栓连接环节，泵产生的微振动可降低约50％，因此传递至载荷安装舱段后会产生约两个数量级的衰减，在轨实测的流体回路泵对回收舱、密封舱的微振动影响见表3。
表3流体回路泵对微振动环境的影响
密封舱 回收舱
X向 0.2mg～1.8mg 0.1mg～1.2mg
Y向 0.4mg～1.2mg 0.3mg～2mg
Z向 0.4mg～2mg 0.3mg～1.3mg
而在地面单机测试中，流体回路泵对安装位置的微振动影响见表4，与表3测试结果相比较，星上由流体回路泵引起的微振动最大值降低了1￣2个数量级，因此，针对布局的优化设计明显改善了载荷安装舱段的微振动环境。
表4流体回路泵在地面试验中对安装位置引起的微振动时域最大值
微振动最大值(g)
X向 4.9E－02
Y向 1.5E－01
Z向 4.8E－02
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有高水平微重力环境的返回式卫星，包括返回舱、制动舱、服务舱和密封舱，其特征在于，密封舱底部的下封顶为外凸的圆形曲面薄壳结构，下封顶圆周边缘设置有6个姿控推力器安装孔，每个安装孔的外缘焊接有姿控推力器安装支架，所述姿控推力器的推力不大于2N，每个安装支架的外缘均设置有约束阻尼层，所述约束阻尼层由约束层和阻尼层粘合在一起，约束层和阻尼层为尺寸相同的圆环；约束层为金属薄片，阻尼层为薄膜结构；
服务舱内设置有卫星上的微振动源，返回舱和密封舱内设置有微重力实验载荷，微振动源与微重力实验载荷之间设置不少于5个的螺栓连接。
2.如权利要求1所述的一种具有高水平微重力环境的返回式卫星，其特征在于，下封顶的材料为铝合金，厚度为2.5mm。
3.如权利要求1所述的一种具有高水平微重力环境的返回式卫星，其特征在于，约束层的材料为铝合金，厚度为2mm。
4.如权利要求1所述的一种具有高水平微重力环境的返回式卫星，其特征在于，阻尼层的材料为ZN-1阻尼材料，厚度为0.3mm。
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