CN107844621A - 一种航天器结构轻量化评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航天器结构轻量化评价方法，用于对航天器结构设计方案的轻量化程度进行评价。本方法综合考虑了航天器构型、受力、质心位置、器箭接口尺寸和整星刚度等多种因素对结构设计的影响，将航天器轴向力求解经验方法与结构质量、刚度指标要求相结合，给出航天器结构轻量化系数，消除了构型、受力等因素的差异化对结构轻量化设计的影响，避免了传统采用结构质量大小或占比大小对航天器结构轻量化方案进行评价的局限性，提供了一种从总体角度评价航天器结构轻量化设计的方法，适用于对器箭接口位于底部的航天器结构轻量化设计方案进行评价。

Description

一种航天器结构轻量化评价方法
技术领域
本发明涉及航天器结构设计领域，具体涉及一种用于对航天器结构轻量化设计方案进行评价的方法，适用于对不同构型、不同功能、不同系列的航天器结构轻量化程度进行比较和评价。
技术背景
航天器设计中通常采用结构质量大小或占比大小对其轻量化设计方案的优劣进行评价，但该指标仅适用于同一类构型的航天器。对于执行不同任务的航天器而言，其构型不同、质量不同、质心位置不同、器箭接口尺寸不同，结构质量大小或占比无法反映这些输入条件对航天器轻量化程度的影响，需要从平台的承力效率角度对轻量化设计方案的优劣进行评价。
航天器结构设计的主要目标是在最小质量约束情况下，设计出满足运载火箭基频要求且可以承受更大力学载荷的方案，需从受力、刚度和结构质量角度对承力结构利用率进行评价。本发明给出的航天器结构轻量化评价方法可以消除构型、受力等因素的差异化对结构轻量化设计的影响，从总体角度对航天器结构轻量化方案进行评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航天器结构轻量化评价方法，用于对航天器结构设计方案的轻量化程度进行评价。本方法综合考虑了航天器构型、受力、质心位置、器箭接口尺寸和整星刚度等多种因素对结构设计的影响，避免了传统采用结构质量或占比的大小对航天器结构轻量化方案进行评价的局限性，适用于对器箭接口位于底部的各类航天器的结构轻量化程度进行比较。本方法适用范围广，更为真实有效。
为达到上述目的，本发明提供一种航天器结构轻量化评价方法，采用的技术方案如下：
根据航天器总质量M0、航天器质心与器箭对接面的距离L、器箭接口半径R、航天器质心处横向过载a0、航天器质心处纵向过载a1，将横向力学载荷引起的弯矩折合为轴向力学载荷；
根据所述轴向力学载荷和器箭接口半径R计算器箭接口界面上的平均轴向力学载荷；
根据所述平均轴向力学载荷，计算单位结构质量所承载的力学载荷；
根据航天器横向基频f0、运载火箭对航天器横向最小基频要求C以及所述单位结构质量所承载的力学载荷，计算轻量化系数α，轻量化系数α越大，结构承载效率越高。
可选地，所述航天器结构轻量化系数α的计算公式中各参数量纲根据情况进行确定，不同结构方案进行比较时，需统一定义各参数的量纲。
可选地，所述将横向力学载荷引起的弯矩折合为轴向力学载荷的计算利用如下公式：
2M0a0L/R+M0a1。
可选地，根据所述轴向力学载荷和器箭接口半径R计算器箭接口界面上的平均轴向力学载荷的公式为：
可选地，根据所述平均轴向力学载荷，计算单位结构质量所承载的力学载荷的公式为：
可选地，所述轻量化系数α的计算公式为：
与现有技术相比，本发明带来以下有益效益：
本发明给出的航天器结构轻量化评价方法可以消除构型、受力等因素的差异化对结构轻量化设计的影响，从总体角度对航天器结构轻量化方案进行评价。适用于对器箭接口位于底部的各类航天器的结构轻量化程度进行比较，适用范围广，更为真实有效。
附图说明
图1为本发明所述的航天器轻量化系数相关参数示意图。
附图标识：α为航天器轻量化系数；M0为航天器总质量；m为航天器结构分系统质量(不含设备安装支架)；a0为航天器质心处横向过载，取绝对值；a1为航天器质心处纵向过载，取绝对值(方向向上为拉工况，向下为压工况)；L为航天器质心与器箭对接面的距离；R为器箭接口半径；f0为航天器横向基频；C为运载火箭对航天器横向最小基频要求。
具体实施方式
本发明的方法综合考虑了航天器构型、受力、质心位置、器箭接口尺寸和整星刚度等多种因素对结构设计的影响，避免了传统采用结构质量或占比的大小对航天器结构轻量化方案进行评价的局限性，提供了一种从总体角度评价航天器结构轻量化设计方案优劣的方法，适用于对器箭接口位于底部的各类航天器的结构轻量化程度进行比较。本发明方法适用范围广，更为真实有效。
本发明的航天器轻量化评价方法通过对比航天器轻量化系数的大小来评价航天器结构轻量化设计方案的优劣，具体实施步骤如下：
步骤1、根据需要对比的不同航天器技术方案确定图1所示的计算参数，包括：M0为航天器总质量；m为航天器结构分系统质量(不含设备安装支架)；a0为航天器质心处横向过载，取绝对值；a1为航天器质心处纵向过载，取绝对值(方向向上为拉工况，向下为压工况)；L为航天器质心与器箭对接面的距离；R为器箭接口半径；f0为航天器横向基频；C为运载火箭对航天器横向最小基频要求。
步骤2、统一定义不同航天器的各参数量纲；
步骤3、根据航天器力学条件，利用航天器结构设计经验公式(2)计算当量轴力。
2M0a0L/R+M0a1 (2)
上述公式为经验公式，通过上述经验公式的运用，将横向力学载荷引起的弯矩折合为轴向力学载荷，避免了航天器质心位置不同引起的受力情况不一致的问题。
步骤4、利用公式(3)计算航天器与运载火箭对接面内单位面积上承受的当量轴力。
步骤5、利用公式(4)计算单位面积、单位结构质量所承受的当量轴力。
步骤6、利用f0/C与公式(4)的乘积计算出航天器轻量化系数α，判断航天器整体刚度超出设计预期的程度，以避免航天器刚度指标不同引起的轻量化评价标准不一致的问题。具体而言，航天器轻量化系数α数值越大，代表结构承载效率越高，航天器结构轻量化设计方案越优。所述系数α的计算公式为
综上，本发明的方法综合考虑了航天器构型、受力、质心位置、器箭接口尺寸和整星刚度等多种因素对结构设计的影响，避免了传统采用结构质量或占比的大小对航天器结构轻量化方案进行评价的局限性。
因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.如权利要求1所述的航天器结构轻量化评价方法，其特征在于：包括：
根据航天器总质量M0、航天器质心与器箭对接面的距离L、器箭接口半径R、航天器质心处横向过载a0、航天器质心处纵向过载a1，将横向力学载荷引起的弯矩折合为轴向力学载荷；
根据所述轴向力学载荷和器箭接口半径R计算箭接口界面上的平均轴向力学载荷；
根据所述平均轴向力学载荷，计算单位结构质量所承载的力学载荷；
根据航天器横向基频f0、运载火箭对航天器横向最小基频要求C以及所述单位结构质量所承载的力学载荷，计算轻量化系数α，轻量化系数α越大，结构承载效率越高。
2.如权利要求1所述的航天器结构轻量化评价方法，其特征在于：各参数量纲根据情况进行确定，不同结构方案进行比较时，统一定义各参数的量纲。
3.如权利要求1所述的航天器结构轻量化评价方法，其特征在于：所述将横向力学载荷引起的弯矩折合为轴向力学载荷的计算利用如下公式：
2M0a0L/R+M0a1。
4.如权利要求1所述的航天器结构轻量化评价方法，其特征在于：根据所述轴向力学载荷和器箭接口半径R计算器箭接口界面上的平均轴向力学载荷：
<mrow> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>M</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>L</mi> <mo>/</mo> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>M</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;R</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
5.如权利要求1所述的航天器结构轻量化评价方法，其特征在于：根据所述平均轴向力学载荷，计算单位结构质量所承载的力学载荷的公式为：
<mrow> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>M</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>L</mi> <mo>/</mo> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>M</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;R</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>m</mi> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
6.如权利要求1所述的航天器结构轻量化评价方法，其特征在于：所述轻量化系数α的计算公式为：
<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>C</mi> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>M</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>L</mi> <mo>/</mo> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>M</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;R</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>m</mi> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
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