CN114162350A - 一种适用于空间站的对日定向装置主结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于空间站的对日定向装置主结构，属于对日定向装置设计领域；包括主承力架、上安装架、下安装架和舱体接口法兰；其中，舱体接口法兰为轴向竖直放置的环状结构；上安装架、下安装架均为锥盘状结构；上安装架同轴安装在舱体接口法兰的顶部，且上安装架的大径端与舱体接口法兰对接；下安装架同轴安装在舱体接口法兰的底部，且下安装架的大径端与舱体接口法兰对接；主承力架为中空锥柱状结构；主承力架同轴安装在舱体接口法兰的顶部，且主承力架的大径端与舱体接口法兰对接；主承力架套装在上安装架的外侧；本发明为了满足空间站轻量化、高刚度的要求首次采用复合材料结构，并要求满足15年在轨长寿命的要求。

Description

一种适用于空间站的对日定向装置主结构

技术领域

本发明属于对日定向装置设计领域，涉及一种适用于空间站的对日定向装置主结构。

背景技术

航天器常规的对日定向装置主结构大多为金属结构，其主要是作为对日定向装置的壳体，将对日定向装置内部各组件组成一个整体。配合完成对日定向装置驱动太阳翼对日定向的功能。

空间站对日定向装置主结构除了将对日定向装置内部各单机组件组成一个整体的功能以外，还需要作为主承力结构使用。空间站对日定向装置主结构布置在空间站实验舱尾部资源舱与桁架之间，发射段将顶部桁架端及对日定向装置内部各组件载荷传递到资源舱上，在轨段配合对日定向装置内的其他组件驱动大型桁架及其两侧太阳电池翼连续转动实现对日定向功能。目前已有的对日定向结构存在尺寸大、重量轻、寿命短的问题，急需解决。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于空间站的对日定向装置主结构，为了满足空间站轻量化、高刚度的要求首次采用复合材料结构，并要求满足15年在轨长寿命的要求。

本发明解决技术的方案是：

一种适用于空间站的对日定向装置主结构，包括主承力架、上安装架、下安装架和舱体接口法兰；其中，舱体接口法兰为轴向竖直放置的环状结构；上安装架、下安装架均为锥盘状结构；上安装架同轴安装在舱体接口法兰的顶部，且上安装架的大径端与舱体接口法兰对接；下安装架同轴安装在舱体接口法兰的底部，且下安装架的大径端与舱体接口法兰对接；主承力架为中空锥柱状结构；主承力架同轴安装在舱体接口法兰的顶部，且主承力架的大径端与舱体接口法兰对接；主承力架套装在上安装架的外侧。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，所述主承力架包括主承力架本体、8个上金属加强件、8个下金属加强件和16个主承力架帽形筋；其中，主承力架本体为锥型环状结构；主承力架本体沿周向每间隔45°开设一个口字形开口；每个口字形开口的顶部安装1个上金属加强件，每个口字形开口的底部安装1个下金属加强件；每个口字形开口的两侧分别安装1个主承力架帽形筋。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，所述上安装架包括上安装架本体、8个上安装架帽形筋和2个上安装架开口加强件；

其中，上安装架本体为锥盘状结构；8个上安装架帽形筋沿周向均匀分布在上安装架本体的顶部，且每个上安装架帽形筋均沿径向设置；2个上安装架开口加强件中心对称设置在上安装架本体的外沿处；上安装架开口加强件为U形开口结构，开口方向沿径向指向外侧。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，所述下安装架包括下安装架本体、8个下安装架帽形筋、1个下安装架U开口加强件和2个下安装架圆形开口加强件；

其中，下安装架本体为锥盘状结构；8个下安装架帽形筋沿周向均匀分布在下安装架本体的顶部，且每个下安装架帽形筋均沿径向设置；2个下安装架圆形开口加强件中心对称设置在下安装架本体上；下安装架U开口加强件设置在下安装架本体外沿处，，开口方向沿径向指向外侧；且下安装架U开口加强件位于2个下安装架圆形开口加强件中间位置。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，装配时，2个上安装架开口加强件与2个下安装架圆形开口加强件在竖直方向上一一对应。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，所述主承力架本体、主承力架帽形筋、上安装架本体、上安装架帽形筋、下安装架本体和下安装架帽形筋均采用高模量碳纤维复合材料。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，主承力架本体的壁厚沿母线方向呈对称渐变结构；主承力架本体的小径端和大径端处壁厚均为6mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至2.4mm。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，上安装架本体和下安装架本体的壁厚沿母线方向呈对称渐变结构；

上安装架本体的小径端和大径端处壁厚均为4mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至1.5mm；

下安装架本体的小径端和大径端处壁厚均为4mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至1.5mm。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，所述主承力架的顶部通过外部桁架接口法兰安装外部桁架；外部桁架承载外部载荷；舱体接口法兰的底端对接外部资源舱。

在上述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，外部桁架承载的全部载荷通过舱体接口法兰传递至外部资源舱。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明解决空间站大型对日定向装置主结构要求适应大尺寸、重量轻、刚度高的要求、能够承受远高于传统航天器对日定向装置的载荷工况，能够在发射段传递顶部桁架端的载荷起到舱段的作用；

(2)本发明能够作为对日定向装置所属组件的安装平台，配合完成15年，-60～+80℃条件下的长寿命对日定向的功能，能够满足热控实施要求。

附图说明

图1为本发明对日定向装置主结构示意图；

图2为本发明主承力架结构示意图；

图3为本发明上安装架结构示意图；

图4为本发明下安装架结构示意图；

图5为本发明对日定向装置主结构与外部结构对接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种适用于空间站的对日定向装置主结构，采用3个碳纤维复合材料大型锥体结构和1个碳纤维复合材料平面圆盘法兰结构的组合构型。通过1个碳纤维复合材料锥体结构最大限度的传递顶部桁架端的载荷，通过另外2个碳纤维复合材料锥体结构和1个碳纤维复合材料平面圆盘结构提供对日定向装置内部各组件的安装平台，保证对日定向装置的刚度和强度要求。

对日定向装置主结构，如图1所示，具体包括主承力架1、上安装架2、下安装架3和舱体接口法兰4；其中，舱体接口法兰4为轴向竖直放置的环状结构；上安装架2、下安装架3均为锥盘状结构；上安装架2同轴安装在舱体接口法兰4的顶部，且上安装架2的大径端与舱体接口法兰4对接；下安装架3同轴安装在舱体接口法兰4的底部，且下安装架3的大径端与舱体接口法兰4对接；主承力架1为中空锥柱状结构；主承力架1同轴安装在舱体接口法兰4的顶部，且主承力架1的大径端与舱体接口法兰4对接；主承力架1套装在上安装架2的外侧。

4大组成部分均以碳纤维复合材料为本体材料，并辅助金属材料为其连接件或者局部加强件。4大件之间部分可以拆卸，通过螺钉进行组合，满足空间站对日定向装置在地面的拆装功能。

主承力架1小端与桁架接口法兰连接，在发射段传递桁架接口法兰上方的桁架结构及安装在桁架接口法兰上方的部组件的载荷至底部舱体接口法兰4。主承力架1与桁架接口法兰的安装面设置有精度调整垫片，通过主承力架1与舱体接口法兰4在连接状态进行组合加工保证其与舱体接口法兰4与资源舱的安装面的高度差，通过配打定位销保证其重复拆装后的定位精度。

上安装架2、下安装架3分别安装在舱体接口法兰4两侧，呈倒扣状，以提高纵向和横向刚度，共同给对日定向装置所属单机电传输组件提供安装接口，保证电传输组件安装平稳，提高电传输效率。电传输组件与舱体接口法兰4之间的安装精度，通过对上安装架2安装在舱体接口法兰4进行连接后整体机加工保证，完成加工后不再拆卸。同时为了便于电传输组件的拆装，下安装架3与舱体接口法兰4之间设计成可拆装结构，通过配打定位销保证其重复拆装后的定位精度。

如图2所示，主承力架1包括主承力架本体5、8个上金属加强件6、8个下金属加强件7和16个主承力架帽形筋8；其中，主承力架本体5为锥型环状结构；主承力架本体5沿周向每间隔45°开设一个口字形开口；每个口字形开口的顶部安装1个上金属加强件6，每个口字形开口的底部安装1个下金属加强件7；每个口字形开口的两侧分别安装1个主承力架帽形筋8。

主承力架本体5、8个上金属加强件6、8个下金属加强件7和16个主承力架帽形筋8通过结构胶和钛合金螺钉，通过胶螺的方式连接而成。其中主承力架本体5材料为高模量碳纤维/环氧复合材料结构，每间隔45°预留一个大开口，用以对日定向装置所属电单机组件在地面的拆装。主承力架本体5小端法兰面四周安装有8个采用铝合金材料的上金属加强件6，对其小端法兰面进行加强，大端法兰面安装有8个采用铝合金材料的下金属加强件7，对其大端法兰面进行加强。主承力架1在主传力通道上，布置16根采用高模量碳纤维复合材料的主承力架帽形筋8增加纵向刚度，并引导顶部载荷从其传递至舱体接口法兰4。

如图3所示，上安装架2包括上安装架本体9、8个上安装架帽形筋10和2个上安装架开口加强件11；

其中，上安装架本体9为锥盘状结构；8个上安装架帽形筋10沿周向均匀分布在上安装架本体9的顶部，且每个上安装架帽形筋10均沿径向设置；2个上安装架开口加强件11中心对称设置在上安装架本体9的外沿处；上安装架开口加强件11为U形开口结构，开口方向沿径向指向外侧。

上安装架本体9、8个上安装架帽形筋10和2个上安装架开口加强件11通过结构胶和钛合金螺钉，采用胶螺的方式进行连接。其中，上安装架本体9、上安装架帽形筋10均为高模量碳纤维/环氧复合材料结构，上安装架开口加强件11为高强度碳纤维/环氧复合材料结构。

如图4所示，下安装架3包括下安装架本体12、8个下安装架帽形筋13、1个下安装架U开口加强件14和2个下安装架圆形开口加强件15；

其中，下安装架本体12为锥盘状结构；8个下安装架帽形筋13沿周向均匀分布在下安装架本体12的顶部，且每个下安装架帽形筋13均沿径向设置；2个下安装架圆形开口加强件15中心对称设置在下安装架本体12上；下安装架U开口加强件14设置在下安装架本体12外沿处，，开口方向沿径向指向外侧；且下安装架U开口加强件14位于2个下安装架圆形开口加强件15中间位置。

下安装架本体12、8根均布的下安装架帽形筋13、1个下安装架U开口加强件14、2个下安装架圆形开口加强件15等通过结构胶和钛合金螺钉，采用胶螺的方式连接而成。其中，下安装架本体12、下安装架帽形筋13均为高模量碳纤维/环氧复合材料结构，下安装架U开口加强件14、下安装架圆形开口加强件15为高强度碳纤维/环氧复合材料结构。下安装架3开口的目的是为了避让对日定向装置内部的电单机组件。舱体接口法兰4为高模量碳纤维/环氧复合材料结构，内部预埋件及表面的精度调整垫片为铝合金材料。

装配时，2个上安装架开口加强件11与2个下安装架圆形开口加强件15在竖直方向上一一对应。

主承力架本体5、主承力架帽形筋8、上安装架本体9、上安装架帽形筋10、下安装架本体12和下安装架帽形筋13均采用高模量碳纤维复合材料。

主承力架本体5的壁厚沿母线方向呈对称渐变结构；主承力架本体5的小径端和大径端处壁厚均为6mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至2.4mm。

上安装架本体9和下安装架本体12的壁厚沿母线方向呈对称渐变结构；

上安装架本体9的小径端和大径端处壁厚均为4mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至1.5mm；

下安装架本体12的小径端和大径端处壁厚均为4mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至1.5mm。

如图5所示，主承力架1的顶部通过外部桁架接口法兰安装外部桁架；外部桁架承载外部载荷；舱体接口法兰4的底端对接外部资源舱。外部桁架承载的全部载荷通过舱体接口法兰4传递至外部资源舱。

上述对日定向装置主结构，采用锥体结构与平面圆盘结构相结合的构型。该锥体构型在传递对日定向装置顶部桁架端的载荷时效率高，刚度好；平面圆盘法兰结构适合对日定向装置所属各组件如回转支撑机构等的安装，接口适应性强，轻量化效果好。

本发明适应于大尺寸、轻量化、高刚度的空间站大型对日定向装置主结构。其构型设计采用锥体结构与平面圆盘法兰结构相结合的构型，能够适应空间站对日定向装置主结构既作为空间站的其中一个舱段传递顶部桁架端载荷，又作为对日定向装置的主结构，将对日定向装置内部各组件组成一个整体的功能，构型简单。且其主体材料采用高模量碳纤维复合材料，刚度好、适用于大尺寸结构。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：包括主承力架(1)、上安装架(2)、下安装架(3)和舱体接口法兰(4)；其中，舱体接口法兰(4)为轴向竖直放置的环状结构；上安装架(2)、下安装架(3)均为锥盘状结构；上安装架(2)同轴安装在舱体接口法兰(4)的顶部，且上安装架(2)的大径端与舱体接口法兰(4)对接；下安装架(3)同轴安装在舱体接口法兰(4)的底部，且下安装架(3)的大径端与舱体接口法兰(4)对接；主承力架(1)为中空锥柱状结构；主承力架(1)同轴安装在舱体接口法兰(4)的顶部，且主承力架(1)的大径端与舱体接口法兰(4)对接；主承力架(1)套装在上安装架(2)的外侧。

2.根据权利要求1所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：所述主承力架(1)包括主承力架本体(5)、8个上金属加强件(6)、8个下金属加强件(7)和16个主承力架帽形筋(8)；其中，主承力架本体(5)为锥型环状结构；主承力架本体(5)沿周向每间隔45°开设一个口字形开口；每个口字形开口的顶部安装1个上金属加强件(6)，每个口字形开口的底部安装1个下金属加强件(7)；每个口字形开口的两侧分别安装1个主承力架帽形筋(8)。

3.根据权利要求2所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：所述上安装架(2)包括上安装架本体(9)、8个上安装架帽形筋(10)和2个上安装架开口加强件(11)；

其中，上安装架本体(9)为锥盘状结构；8个上安装架帽形筋(10)沿周向均匀分布在上安装架本体(9)的顶部，且每个上安装架帽形筋(10)均沿径向设置；2个上安装架开口加强件(11)中心对称设置在上安装架本体(9)的外沿处；上安装架开口加强件(11)为U形开口结构，开口方向沿径向指向外侧。

4.根据权利要求3所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：所述下安装架(3)包括下安装架本体(12)、8个下安装架帽形筋(13)、1个下安装架U开口加强件(14)和2个下安装架圆形开口加强件(15)；

其中，下安装架本体(12)为锥盘状结构；8个下安装架帽形筋(13)沿周向均匀分布在下安装架本体(12)的顶部，且每个下安装架帽形筋(13)均沿径向设置；2个下安装架圆形开口加强件(15)中心对称设置在下安装架本体(12)上；下安装架U开口加强件(14)设置在下安装架本体(12)外沿处，，开口方向沿径向指向外侧；且下安装架U开口加强件(14)位于2个下安装架圆形开口加强件(15)中间位置。

5.根据权利要求4所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：装配时，2个上安装架开口加强件(11)与2个下安装架圆形开口加强件(15)在竖直方向上一一对应。

6.根据权利要求5所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：所述主承力架本体(5)、主承力架帽形筋(8)、上安装架本体(9)、上安装架帽形筋(10)、下安装架本体(12)和下安装架帽形筋(13)均采用高模量碳纤维复合材料。

7.根据权利要求6所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：主承力架本体(5)的壁厚沿母线方向呈对称渐变结构；主承力架本体(5)的小径端和大径端处壁厚均为6mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至2.4mm。

8.根据权利要求7所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：上安装架本体(9)和下安装架本体(12)的壁厚沿母线方向呈对称渐变结构；

上安装架本体(9)的小径端和大径端处壁厚均为4mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至1.5mm；

下安装架本体(12)的小径端和大径端处壁厚均为4mm，从小径端和大径端沿母线方向均匀向中部减少至1.5mm。

9.根据权利要求8所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：所述主承力架(1)的顶部通过外部桁架接口法兰安装外部桁架；外部桁架承载外部载荷；舱体接口法兰(4)的底端对接外部资源舱。

10.根据权利要求9所述的一种适用于空间站的对日定向装置主结构，其特征在于：外部桁架承载的全部载荷通过舱体接口法兰(4)传递至外部资源舱。

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