CN109335028B - 一种火星探测着陆巡视器用防热大底及其成型、装配方法 - Google Patents

一种火星探测着陆巡视器用防热大底及其成型、装配方法 Download PDF

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Abstract

一种火星探测着陆巡视器用防热大底及其成型、装配方法，包括如下步骤：(1)制备玻璃钢蜂窝，并对预浸的玻璃钢蜂窝芯子进行定型固化及机械加工和打磨；(2)蜂窝修整和大底进行试配组装；(3)在预制的承力结构凸面胶接玻璃钢蜂窝层，采用蜂窝拼接技术实现结构曲率变化；(4)采用热压罐工艺整体共固化；(5)低密度烧蚀材料配方设计和低压快速灌注；(6)无损检测及低密度材料修补；(7)防热大底端面和外型面机加工；(8)粘接钛管；(9)粘接传感器。本发明方法制备得到的防热大底烧蚀结构具有耐高温、质量轻、力学性能优异、烧蚀性能良好、尺寸精度高等优点，解决了传统金属方案质量重、成型难、模具与结构线胀系数匹配的问题。

Description

一种火星探测着陆巡视器用防热大底及其成型、装配方法
技术领域
本发明涉及一种防热壳体及其成型、装配方法。
背景技术
火星着陆巡视器进入、下降、着陆过程是火星软着陆探测任务中最为重要的环节之一，火星着陆巡视器大底结构用于火星探测任务，起到着陆器在火星大气气氛进入过程中的防热及承力。火星着陆巡视器在行星际巡航和环绕探测、火星进入段、面临着高低温交变、高低焓热流的复杂气动和热环境，对防热结构提出了更高的要求，其关键技术之一就是气动防热技术，保持气动外形是确保火星探测器进入火星大气层，安全通过高速高温飞行区，并最终实现软着陆的重要保障。
火星探测器大底结构作为火星着陆巡视器的重要结构部件，采用了以轻质蜂窝增强低密度材料的烧蚀防隔热方案，该方案除了对低密度材料的烧蚀性能有很高的要求外，还对其防热结构的成型装配技术有较高的要求以保证其大底底部半径、头部曲率半径和大锥角精度。而采用传统蜂窝夹层结构的成型方法来制备火星探测大底的防热结构，其底部半径尺寸精度差，在其曲率较大的拐角处会引起蜂窝格子的变形，致使防热结构的承载能力削弱，影响探测器的气动外形，从而影响整器的热防护效果。
综上所述，火星探测器对大尺寸大曲率轻质烧蚀蜂窝夹层结构的高精度整体成型和装配技术提出了迫切的需求，传统的金属防热大底质量重，热防护效果有限，很难再满足火星探测的任务需求，因此必须开展新一代轻质探测器防热结构的成型工艺技术研究。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术上述的不足，提供一种火星探测着陆巡视器用防热大底及其成型、装配方法，该成型工艺方法制备得到的防热大底具有结构刚度高、耐高温、质量轻、力学性能优异、烧蚀性能良好、尺寸精度高，解决了探测器系统承载、烧蚀防热结构功能一体化问题。
本发明所采用的技术方案是：一种火星探测着陆巡视器用防热大底，包括承力结构、烧蚀防热层、钛管；承力结构为圆锥形壳体，圆锥面的中心部分为弧面；烧蚀防热层安装在承力结构的凸面上；承力结构的凹面上设置钛管安装座，钛管安装座沿承力结构的周向分布，钛管安装在钛管安装座上，各钛管与承力结构回转轴平行。
所述承力结构为夹层结构，中间层为铝蜂窝，铝蜂窝两侧为碳蒙皮，承力结构的厚度为10～50mm。
所述烧蚀防热层为玻璃钢蜂窝增强的低密度烧蚀材料；蜂窝芯子为酚醛玻璃钢蜂窝，厚度为10～50mm，密度为0.07±0.01g/cm3；蜂窝格子内填充低密度烧蚀材料，低密度烧蚀材料的密度0.4±0.04g/cm3。
所述钛管安装座位于同一平面内。
一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型、装配方法，其包括步骤如下：
步骤1：用无碱玻璃布和缩醛烘干胶液印制蜂窝叠块，对蜂窝叠块切割、拉伸、浸渍钡酚醛树脂、晾置，制得玻璃钢蜂窝；
步骤2：测量成型阳模与火星探测器用防热大底的承力结构的配合间隙，在成型阳模与承力结构间铺垫透气软毡，使两者紧配合；
步骤3：采用胶膜在承力结构的凸面胶接拼装酚醛玻璃钢蜂窝层，大曲率球锥过渡处蜂窝通过蜂窝拼接技术实现曲率过渡变化；
步骤4：对安装了酚醛玻璃钢蜂窝层的承力结构进行固化成型；
步骤5：使用低密度烧蚀材料制备预制体，将预制体加压灌注至玻璃钢蜂窝格子内，并固化；
步骤6：用X射线检测低密度烧蚀材料是否灌满蜂窝格子；对于检测出的缺陷，采用低密度烧蚀材料修补，固化方式采用常温固化，并对修补后的区域进行再次检测；
步骤7：在承力结构凹面上安装钛管安装座，使用矫形压环将钛管安装座限制在一个平面内，加工大底端面使得大底端面与钛管安装座安装平面平行；将承力结构涨圆后，对玻璃钢蜂窝层面进行型面加工，满足设定的加工要求；
步骤8：在钛管安装座上固定钛管；
步骤9：将传感器粘贴在承力结构凹面内。
所述步骤1，在制备玻璃钢蜂窝的过程中，蜂窝树脂含量控制在32±7％范围内，密度为0.07±0.01g/cm3；将预浸的酚醛玻璃钢蜂窝芯子拼接并固定在蜂窝定型阳模上，经热压罐工艺在150～180℃下固化1～6h固化成整体，固化后通过机械加工的方法加玻璃钢工蜂窝凹面，使其满足火星探测器用防热大底的承力结构的尺寸和形状要求。
所述步骤4中，对安装了酚醛玻璃钢蜂窝层的承力结构采用热压罐工艺，在150～180℃和0.1～0.3Pa压力下固化1～6h。
所述步骤5的具体方法如下：
设计预制体尺寸和铺放顺序，预制体码放固定，用不大于0.6MPa的压力将预制体加压灌注至蜂窝格子内，并固化。
所述步骤8中，采用空间级低苯基室温硫化硅橡胶将钛管胶接在钛管安装座上，固化后测量钛管位置度，位置度小于等于φ1.0mm。
所述步骤9中，采用空间级低苯基室温硫化硅橡胶胶接传感器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的防热大底轻质、防隔热、承载耦合设计，实现了结构功能一体化设计，解决了深空环境空间飞行器结构承载、耐热一体化难题，为着陆巡视器耐烧蚀苛刻热环境下正常工作提供了技术支撑；
(2)本发明的方法实现了大尺寸大曲率球锥一体夹层结构整体共固化成型，生产效率高，装配精度高；采用等厚度球锥构型蜂窝夹芯整体预定型技术，提高了蜂窝结构的规整度和承载能力；
(3)本发明的方法采用逐级台阶升温固化工艺，解决了超大尺寸产品固化过程温度场的均匀性控制，实现球锥一体、高精度防热大底的整体成型，提高了产品的整体性能和成型效率；
(4)本发明的方法采用框架结构的殷钢阳模成型该功能结构，实现超大产品尺寸精度精确控制；采用钛管粘接定位工艺技术实现了防热大底钛管的垂直度和位置度，保证了钛管与对接平台的装配对接精度；采用缓冲加压固化方式，避免对承力结构引起应力变形；采用低密度材料配方设计和低压快速灌注技术，实现了防热大底的热防护要求。
附图说明
图1为本发明防热大底成型工艺流程图；
图2为本发明防热大底成型模具结构示意图；
图3为本发明防热大底成型模具结构剖图；
图4为本发明防热大底的结果示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图4所示为本发明防热大底的结构图，本发明得到的防热大底为球锥一体结构，应用于火星探测着陆巡视器，工作温度-120℃～+100℃，大底外表面最大热流密度约为469.5kW/m2，最大总加热量约为31.43MJ/m2。。
为了达到结构、防热一体化的设计要求，本发明制备的防热大底采用蜂窝夹层承力结构和低密度抗烧蚀防热方案。为降低产品的内部缺陷，保证产品质量，满足防热大底飞结构整体性和结构效率，采用热压罐成型工艺方案。同时为了保证防热大底的气动外形和各接口尺寸精度，设计了合理的加工定位工装，采用数控加工。
本发明采用专用模具完成防热大底的制备，如图2、图3所示为本发明防热大底成型和装配模具，由图可知模具为框架式阳模结构，内部开设减重和通风孔。
本发明制备的大尺寸火星探测着陆巡视器用防热大底，其由预制的碳蒙皮/铝蜂窝/碳蒙皮作为承力结构，再在承力结构凸面上组装成型烧蚀防热层，承力结构的凹面上设置钛管安装座，钛管安装座沿承力结构的周向分布，钛管安装在钛管安装座上，各钛管与承力结构回转轴平行。承力结构为碳蒙皮/铝蜂窝/碳蒙皮夹层结构；承力结构的厚度为10～50mm；烧蚀防热层为玻璃钢蜂窝增强的低密度材料；烧蚀防热层蜂窝芯子为酚醛玻璃钢蜂窝，厚度为10～50mm，密度为0.07±0.01g/cm3，低密度烧蚀材料密度0.4±0.04g/cm3。
本发明防热大底制备过程包括防热大底整体成型和装配，具体步骤如下，如图1所示为本发明防热大底成型工艺流程图：
(1)防热大底成型模具设计制造
采用框架结构形式的阳模成型和蜂窝定型，以保证大尺寸复合材料产品固化过程温度场的均匀性，温度场差别小于10℃，减少大尺寸模具重量。
(2)验收大底承力结构
验收防热大底承力夹层结构，验收内容包括：外型轮廓度、尺寸、外观。
(3)蜂窝制备
用专用无碱玻璃布和缩醛烘干胶液印制蜂窝叠块，蜂窝叠块经切割、拉伸、浸渍钡酚醛树脂、晾置、即制得抗烧蚀玻璃钢蜂窝。蜂窝树脂含量控制在32±7％，密度为0.07±0.01g/cm3。将预浸的酚醛玻璃钢蜂窝芯子拼接并固定在蜂窝定型阳模上，经热压罐工艺在150～180℃下固化1～6h固化成整体。固化后通过机械加工的方法加工蜂窝凹面，使其满足承力夹层结构尺寸和形状要求。
(4)大底结构试装
测量成型阳模与承力结构的配合间隙，然后在夹层结构成型阳模与承力结构间采用铺垫1～2层数的透气软毡，使两者紧配合。
(5)大底结构装配
采用胶膜在承力结构内蒙皮外侧胶接拼装酚醛玻璃钢蜂窝层，大曲率球锥过渡处蜂窝通过拼接技术实现曲率过渡变化。
(6)整体共固化成型
采用热压罐工艺在150～180℃和0.1～0.3Pa压力下共固化1～6h。
(7)低密度烧蚀材料成型
使用低密度烧蚀材料制备预制体，设计预制体尺寸和铺放顺序，预制体码放固定，用不大于0.6MPa的压力将预制体加压灌注至蜂窝格子内，固化。
(8)无损检测及低密度材料修补
用X射线检测低密度烧蚀材料是否灌满于蜂窝格子内。对于检测出的缺陷，修补采用低密度烧蚀材料修补工艺，固化方式采用常温固化，修补后的区域进行再次检测，至检测合格为止。
(9)外型面机加工
利用矫形压环将四个钛管安装座限制在一个平面内，再用φ6.3m数控立车加工大底端面，加工结束拆除矫形压环。将大底外形面加工工装放置在4个方箱上，将大底用涨圆工装涨圆后扣放在外形面加工工装上，使大底下端面到工装下边缘的距离基本一致，将大底承力结构固定在工装上，并用压板从四周压紧蜂窝，精加工外型面。
(10)粘接钛管
用钛管粘接定位工装固定钛管、采用空间级低苯基室温硫化硅橡胶胶接，固化后测量钛管位置精度。
(11)粘接传感器
采用空间级低苯基室温硫化硅橡胶胶接传感器，完成火星探测着陆巡视器防热大底的成型。
实施例1
由预制的碳蒙皮/铝蜂窝/碳蒙皮作为承力结构，再在承力结构凸面组装成型烧蚀防热层。所述承力结构厚度为40mm；所述防热层的酚醛玻璃钢蜂窝厚度为40mm,树脂含量为30％,密度为0.07±0.01g/cm3，低密度材料密度为0.04±0.04g/cm3，该探测器用防热大底整体成型技术步骤为：
(1)防热大底成型模具设计制造，温度场差别为7℃；
(2)验收大底承力结构
(3)用专用无碱玻璃布和缩醛烘干胶液印制蜂窝叠块，蜂窝叠块经切割、拉伸、浸渍钡酚醛树脂、晾置、即制得预浸烧蚀玻璃钢蜂窝，将预浸的酚醛玻璃钢蜂窝芯子拼接并固定在蜂窝定型阳模上，经热压罐工艺在160℃下固化2h即制得夹层结构芯子。通过机械加工的方法加工蜂窝凹面，使其满足夹层结构尺寸和形状要求。
(4)大底结构试装，测量成型阳模与承力结构的配合间隙，然后在夹层结构成型阳模与承力结构间采用铺垫2层透气软毡，使两者紧配合。
(5)采用J-310B胶膜在承力结构内蒙皮外侧胶接拼装酚醛玻璃钢蜂窝，大曲率球锥过渡处蜂窝通过拼接技术实现曲率过渡变化。
(6)整体共固化成型，采用热压罐工艺在170℃和0.2MPa压力下共固化5h。
(7)低密度烧蚀材料原材料混合制成预制体，从顶部到低端顺序码放到大底上，加压0.6MPa将低密度烧蚀材料灌注到玻璃钢蜂窝格子内，室温固化7天。
(8)用X射线法无损检测低密度烧蚀材料灌注情况，缺陷处用低密度烧蚀材料修补后并再次进行无损探伤直至无缺陷。
(9)外型面机加工
(10)粘接钛管
(11)粘接传感器。
该方法比传统金属方案减重22％，外形轮廓度0.2，尺寸精度±0.15。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，不能把本发明限定为说明书所描述的内容。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明进行各种轻易想到的变化或改动，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：用无碱玻璃布和缩醛烘干胶液印制蜂窝叠块，对蜂窝叠块切割、拉伸、浸渍钡酚醛树脂、晾置，制得玻璃钢蜂窝；
步骤2：测量成型阳模与火星探测着陆巡视器用防热大底的承力结构的配合间隙，在成型阳模与承力结构间铺垫透气软毡，使两者紧配合；
步骤3：采用胶膜在承力结构的凸面胶接拼装酚醛玻璃钢蜂窝层，大曲率球锥过渡处蜂窝通过蜂窝拼接技术实现曲率过渡变化；
步骤4：对安装了酚醛玻璃钢蜂窝层的承力结构进行固化成型；
步骤5：使用低密度烧蚀材料制备预制体，将预制体加压灌注至玻璃钢蜂窝格子内，并固化；
步骤6：用X射线检测低密度烧蚀材料是否灌满蜂窝格子；对于检测出的缺陷，采用低密度烧蚀材料修补，固化方式采用常温固化，并对修补后的区域进行再次检测；
步骤7：在承力结构凹面上安装钛管安装座，使用矫形压环将钛管安装座限制在一个平面内，加工大底端面使得大底端面与钛管安装座安装平面平行；将承力结构涨圆后，对玻璃钢蜂窝层面进行型面加工，满足设定的加工要求；
步骤8：在钛管安装座上固定钛管；
步骤9：将传感器粘贴在承力结构凹面内。
2.根据权利要求1所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，其特征在于：
所述步骤1，在制备玻璃钢蜂窝的过程中，蜂窝树脂含量控制在32±7％范围内，密度为0.07±0.01g/cm3；将预浸的酚醛玻璃钢蜂窝芯子拼接并固定在蜂窝定型阳模上，经热压罐工艺在150～180℃下固化1～6h固化成整体，固化后通过机械加工的方法加工玻璃钢蜂窝凹面，使其满足火星探测着陆巡视器用防热大底的承力结构的尺寸和形状要求。
3.根据权利要求1或2所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，其特征在于：
所述步骤4中，对安装了酚醛玻璃钢蜂窝层的承力结构采用热压罐工艺，在150～180℃和0.1～0.3Pa压力下固化1～6h。
4.根据权利要求3所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，其特征在于：
所述步骤5的具体方法如下：
设计预制体尺寸和铺放顺序，预制体码放固定，用不大于0.6MPa的压力将预制体加压灌注至蜂窝格子内，并固化。
5.根据权利要求4所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，其特征在于：
所述步骤8中，采用空间级低苯基室温硫化硅橡胶将钛管胶接在钛管安装座上，固化后测量钛管位置度，位置度小于等于φ1.0mm。
6.根据权利要求5所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，其特征在于：
所述步骤9中，采用空间级低苯基室温硫化硅橡胶胶接传感器。
7.根据权利要求6所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，其特征在于，火星探测着陆巡视器用防热大底，包括承力结构、烧蚀防热层、钛管；承力结构为圆锥形壳体，圆锥面的中心部分为弧面；烧蚀防热层安装在承力结构的凸面上；承力结构的凹面上设置钛管安装座，钛管安装座沿承力结构的周向分布，钛管安装在钛管安装座上，各钛管与承力结构回转轴平行。
8.根据权利要求7所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，所述承力结构为夹层结构，中间层为铝蜂窝，铝蜂窝两侧为碳蒙皮，承力结构的厚度为10～50mm。
9.根据权利要求8所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，所述烧蚀防热层为玻璃钢蜂窝增强的低密度烧蚀材料；蜂窝芯子为酚醛玻璃钢蜂窝，厚度为10～50mm，密度为0.07±0.01g/cm3；蜂窝格子内填充低密度烧蚀材料，低密度烧蚀材料的密度0.4±0.04g/cm3。
10.根据权利要求9所述的一种火星探测着陆巡视器用防热大底成型装配方法，所述钛管安装座位于同一平面内。
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