CN114536929B - 一种空间柔性体配重结构、设计方法和设计系统 - Google Patents

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Abstract

本方案公开了一种具备空间碎片安全性与大尺度折叠性能的空间柔性体配重结构及其设计方法，其中，配重结构包括：位于附着结构上的第一密封结构；位于第一密封结构上的通过第二密封结构相互间隔开的多个以阵列方式排布的粉囊；覆盖在粉囊和第二密封结构上的第三密封结构；所述第一密封结构通过附着结构与空间柔性体固定。本方案在粉末选择中选用钨粉等细度小、高熔点、物化性能稳定的粉末，确保空间碎片安全性；在配重结构粉囊设计中选用透气不透粉末材料等气体泄放通道方案，确保粉囊内残气在真空条件下可靠泄放，保证粉囊安全性；在配重结构尺寸设计中提出与折叠线预留避让空间设计，一方面保证粉囊安全性，另一方面进一步降低柔性体折叠体积。

Description

一种空间柔性体配重结构、设计方法和设计系统
技术领域
本方案涉及航天技术领域。更具体地，涉及一种具备空间碎片安全性与大尺度折叠性能的空间柔性体配重结构及其设计方法。
背景技术
柔性材料及其展开结构在空间中应用广泛。近年来随着航天技术的发展，柔性展开结构的应用已经拓展到包括空间返回着陆、空间太阳翼展开、空间飞行器离轨、空间碎片探测等技术层面。
对于低地球轨道，由于稀薄大气的存在，面质比的大小决定了以气球卫星为代表的无控式柔性展开飞行器的留轨时间，面质比越大则留轨时间越短，而留轨时间的长短决定了在轨实验研究价值。为了增加留轨时间以获取尽可能多的实验研究数据，在柔性体尺寸有限的前提下需要尽可能增加柔性体重量以减小面质比。
发明内容
本方案目的在于提供一种具备空间碎片安全性与大尺度折叠性能的空间柔性体配重结构及其设计方法。
为达到上述目的，本方案如下：
第一方面，本方案提供一种空间柔性体配重结构，包括：
位于附着结构上的第一密封结构；
位于第一密封结构上的通过第二密封结构相互间隔开的多个以阵列方式排布的粉囊；
覆盖在粉囊和第二密封结构上的第三密封结构；
所述第一密封结构通过附着结构与空间柔性体固定。
在一种优选实例中，所述第一密封结构、第二密封结构、第三密封结构中的至少一种为柔性材料。
在一种优选实例中，所述第一密封结构上设有至少一个泄气通道，使第一密封结构和粉囊形成气体泄放通道；所述附着结构上对应第一密封结构上开设通孔的位置形成镂空结构。
在一种优选实例中，所述第二密封结构上设有至少一个泄气通道，使第二密封结构和粉囊形成气体泄放通道。
在一种优选实例中，所述第三密封结构上设有至少一个泄气通道，使第三密封结构和粉囊形成气体泄放通道。
在一种优选实例中，所述第一密封结构、第二密封结构和第三密封结构上均设有泄气通道，使第一密封结构、第二密封结构和第三密封结构与粉囊形成气体泄放通道；所述附着结构上对应第一密封结构上开设泄气通道的位置形成镂空结构。
在一种优选实例中，所述附着结构为胶粘材料或热合固定材料。
在一种优选实例中，多个配重结构通过附着结构，以阵列形式附着在柔性体上；
所述配重结构的边缘与柔性体上的弯折线具有避让距离。
第二方面，本方案提供一种空间柔性体配重结构设计方法，该方法的步骤包括：
根据配重结构的应用场景和使用需求，对包括空间辐射、原子氧和热包络在内的空间环境要素进行影响度分析，确定影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素；
根据分析确定的影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素，确定适应配重结构应用场景和使用需求的密封材料类型；
根据空间碎片安全性需求和气体泄放通道孔径，确定配重结构中粉末的类型、粉末的物理性能参数、粉末的化学性能参数中的至少一种；；
根据柔性体折叠截面尺寸及安全弯折半径，确定配重结构尺寸以及配重结构中附着结构边缘和位于附着结构上的密封结构边缘的距离。
第二方面，本方案提供一种空间柔性体配重结构设计系统，该系统包括：
分析模块，根据配重结构的应用场景和使用需求，对包括空间辐射、原子氧和热包络在内的空间环境要素进行影响度分析，确定影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素；
材料选取模块，根据分析确定的影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素，确定适应配重结构应用场景和使用需求的密封材料类型；
参数计算模块，根据空间碎片安全性需求和气体泄放通道孔径，确定配重结构中粉末的类型、粉末的物理性能参数、粉末的化学性能参数中的至少一种；
距离计算模块，根据柔性体折叠截面尺寸及安全弯折半径，确定配重结构尺寸以及配重结构中附着结构边缘和位于附着结构上的密封结构边缘的距离。
本方案的有益效果如下：
1、本方案能够显著降低折叠体积。由于粉末密度显著高于常用柔性材料的密度，因此基于本方案所述配重结构，可以实现仅需少量粉末即可实现所需重量配比，无须通过选用大厚度材料去实现相同重量配比，而柔性体的折叠体积主要取决于主体结构材料厚度；其次，配重结构与柔性体折叠位置预留一定避让空间，折叠过程中避免了对粉囊的弯折，从而不会增加弯折半径。最后，配重结构设计有气体泄放通道，避免了粉囊鼓胀，进一步降低了折叠体积。基于这三方面因素，可以显著降低柔性体折叠体积；
2、本方案可扩展性强，经济性好，降低研发周期。仅通过调整配重结构的粉末数量，即可实现柔性体总重量灵活可调，而无需研制新型材料，同时由于以钨粉为代表的高密度难溶金属粉末已经有大规模工业生产能力，采购成本低，从而大大降低了研发周期和研制成本；
3、本方案对柔性体展开回复力影响小。柔性体的展开回复力主要源自材料自身厚度带来的回复力以及材料弯折所需回复力，一方面由于本发明使得大质量柔性体选用轻、薄柔性材料成为可能，大大降低了材料自身刚度从而降低了柔性体展开回复力，另一方面由于配重结构设计时避开了折叠位置，对折叠处的材料厚度以及弯折半径几乎无影响，因此对柔性体展开回复力影响小。对于充气式柔性体，由于其展开回复力决定了所需充气量，因此本发明可以显著降低大质量柔性体对充气量需求；
4、本方案能够保证空间碎片安全性。由于粉末为非连续介质，细度小且熔点高，高速碰撞过程将表现为粉末的大角度弥散，粉末释放后散布密度低，降低对在轨其它航天器的碰撞概率；同时粉末由于细度为微米量级，其能量非常小，弥散后相当于空间尘埃，对轨道上其它航天器的危害很小；粉末的非连续介质状态还可有效降低高速碰撞过程对碰撞物体的损害，避免碰撞物体的解体从而避免了二次碎片的产生。本发明还使得柔性体可以充分选用轻而薄柔性材料，进一步降低了柔性体本身产生碎片的风险。因此本发明的配重结构可以确保空间碎片安全性。
5、本方案对质心影响小。一方面本方案采用宫格式粉囊设计，避免了局部粉末的堆积；另一方面附着结构可以采用柔性贴片式设计，可根据需要在柔性体表面均匀布置。因此本发明对柔性体质心影响小。
附图说明
为了更清楚地说明本方案的实施，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本方案的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本方案所述空间柔性体配重结构的示意图
图2示出本方案所述空间柔性体配重结构的一个实例的示意图
图3示出本方案所述空间柔性体配重结构的另一个实例的示意图；
图4示出本方案所述空间柔性体配重结构的再一个实例的示意图；
图5示出本方案所述空间柔性体配重结构中的附着结构边缘和密封结构边缘之间尺寸设计的示意图；
图6示出本方案所述空间柔性体配重结构中的附着结构边缘和密封结构边缘之间尺寸的一个实例的示意图。
图7示出本方案所述空间柔性体配重结构中粉囊阵列布置的一个实例的示意图；
图8示出本方案实施例中以3Kg柔性体，未使用配重结构进行实验的示意图；
图9示出本方案实施例中以3Kg柔性体，使用配重结构进行实验的示意图；
图10示出本方案实施例中以6Kg柔性体，使用配重结构进行实验的示意图；
图11示出本方案实施例中采用本方案配重结构进行超高速碰撞实验的效果图；
图12示出本方案实施例中采用本方案配重结构进行超高速碰撞实验的钨粉释放后对塑料挡板损伤的效果图。
附图标号
1、第一密封结构；2、第二密封结构；3、第三密封结构；4、粉囊；5、附着结构；6、柔性体。
具体实施方式
下面将结合附图对本方案的实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是本方案的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
经研究与分析，目前在柔性体尺寸约束不变的前提下，增加其质量主要采用增加柔性材料厚度和附加大质量块的方式来实现柔性体重量的提升。然而，这两种方式会存在以下问题：
1、增加柔性材料厚度，是最直接的一种增重方式，但却存在几个显著缺陷：
(1)显著增加折叠体积。薄膜越厚，材料越硬，弯折能力越差，将造成柔性体折叠储存体积成倍数甚至指数级增加，对于有限的火箭整流罩内空间或星上空间而言，其代价高昂；
(2)显著增加柔性体展开回复力，降低柔性体展开性能。薄膜越厚，材料刚性越强，柔性体越难以展开，将显著增加气源(充气展开式柔性体)、电功耗(记忆展开式柔性体)等开销，并增加展开所需时间；
(3)质量可增加能力有限。折叠体积和展开性能方面的强约束，意味着通过增加薄膜厚度增加柔性体质量存在一个明显瓶颈，质量可增加能力有限；
(4)空间碎片风险性显著增加。空间碎片是国际上广为关注的议题，无控式柔性体由于不具备主动轨控能力，其与轨道飞行器及轨道碎片等碰撞的风险性大增，因此需要采取措施降低柔性体与其它飞行器碰撞对其它飞行器的损害以及柔性体自身产生的碎片对其它飞行器的二次损害，显然材料越厚越硬，柔性体产生的碎片对其它飞行器的损害就越严重；
2、附加大质量块会存在改变柔性体质心分布、大大增加空间碎片风险等问题，造成此方案不具备普适性。
综上，已有的技术途径存在大质量柔性体需求与满足薄柔性材料需要、大质量柔性体需求与满足大尺度折叠需要、大质量柔性体需求与满足低展开回复力需要、大质量柔性体需求与满足低质心位置影响需要、大质量柔性体需求与满足空间碎片安全性需要之间的矛盾。
因此，本方案意在提供一种具备空间碎片安全性与大尺度折叠性能的空间柔性体配重结构及其设计方法，能够有效解决大质量柔性体需求与满足薄柔性材料需要之间的矛盾、大质量柔性体需求与满足大尺度折叠需要之间的矛盾、大质量柔性体需求与满足低展开回复力需要之间的矛盾、大质量柔性体需求与满足低质心位置影响需要之间的矛盾、大质量柔性体需求与满足空间碎片安全性需要之间的矛盾等多重矛盾。该方法可以采用钨粉等细度小、高熔点、物化性能稳定的粉末，确保空间碎片安全性；该方法通过在配重结构中采用透气不透粉末材料等气体泄放通道方案，确保粉囊内残气在真空条件下可靠泄放，保证粉囊安全性。该方法能够实现与折叠线预留避让空间，保证粉囊安全性，且能够降低柔性体折叠体积。
以下，结合附图对本方案提出的一种空间柔性体配重结构进行详细描述。图1所示，所述空间柔性体配重结构，包括：位于附着结构5上的第一密封结构1、第二密封结构2、第三密封结构3和粉囊4。第一密封结构1铺设在附着结构5上；多个粉囊4以阵列排布的形式设置在第一密封结构1上，且相互之间通过第二密封结构2间隔开；第三密封结构覆盖在粉囊4和第二密封结构2上。其中，第一密封结构1和第三密封结构3均为柔性材料；第二密封材料可根据第一密封结构1和第三密封结构3所采用的材料，选择胶粘材料或者通过热融、焊接等工艺实现。粉囊4内可以填充超细、高密度、高熔点粉末。配重结构通过胶粘、热合或焊接等方式形成的附着结构5，固定在空间柔性体6上。另外，配重结构可以直接通过附着结构5粘贴在空间柔性体6上；也可以构建配重结构阵列组，利用通过间接粘贴结构将配重结构阵列组粘贴在空间柔性体6上。
本方案中可以通过热合工艺，直接将第一密封结构1和柔性体结构6牢固拼合。
本方案中，第一密封结构1是作为粉囊4下方防粉末泄漏的结构，因此，其需要选取具有防泄漏功能的材料，例如防水膜等防泄漏材料。由于粉囊4设计过程是在地面完成，粉囊4中会存留多余的空气，然而，多余的空气会导致在真空环境下，造成粉囊4膨胀甚至涨破。为了能够将粉囊4内的空气排出，可以将第一密封结构1设计为防水，但可以透气结构的泄气通道，这样，不但可以防止粉末的泄漏，还可以有效的排出粉囊4中的气体，从而，使第一密封结构1和粉囊4形成气体泄放通道。
具体来说，可以在第一密封结构1上开设微孔，该微孔不允许粉末颗粒通过，但是，可以排出空气。也可以直接选用透气膜来实现该功能。
在一种实施例中，如图2所示，第一密封结构1可以选用具有多微孔的材料(防水透气膜)或在材料新开设微孔，并在配重结构与空间柔性体6之间预留一定的悬空位置，以保证气体的可靠泄放。第一密封结构1可以采用TPU防水透气膜、PTFE防水透气膜等防水透气材料，也可通过在非透气材料上打微孔洞来实现第一密封结构1的防水透气功能。
另外，为了配合第一密封结构上泄气通道的使用，可以在附着结构上对应第一密封结构上开设泄气通道的位置形成镂空结构。
本方案中，第二密封结构2主要是防止粉囊4侧方泄漏的结构，除此之外，第二密封结构2也可以承担对多个粉囊4进行隔离的作用。同样，第二密封结构2也需要选取具有防泄漏功能的材料。与此同时，为了能够将粉囊4内的空气排出，也可以将第二密封结构2设计为防水，但可以透气结构的泄气通道，这样，不但可以防止粉末的泄漏，还可以有效的排出粉囊4中的气体，从而使第二密封结构2和粉囊4形成气体泄放通道。
具体来说，可以在第二密封结构2内增加透气防水膜材料。也可以在第二密封结构2上上开设微孔，该微孔不允许粉末颗粒通过，但是，可以排出空气。
在一种实施例中，如图3所示，第二密封结构2内增加一层透气不透粉末材料或相关微孔结构，使得气体通过边缘区域进行泄放。
本方案中，第三密封结构3是作为粉囊4上方防粉末泄漏的结构，因此，其需要选取具有防泄漏功能的材料，例如防水膜等防泄漏材料。与此同时，为了能够将粉囊4内的空气排出，也可以将第三密封结构3设计为防水，但可以透气结构的泄气通道，这样，不但可以防止粉末的泄漏，还可以有效的排出粉囊4中的气体，从而使第三密封结构3和粉囊4形成气体泄放通道。
具体来说，可以在第三密封结构3上开设微孔，该微孔不允许粉末颗粒通过，但是，可以排出空气。也可以直接选用透气膜来实现该功能。
在一种实施例中，如图4所示，第三密封结构3可以选用具有多微孔的材料或在材料上新开设微孔洞，微孔的直径应小于粉末颗粒细度，在保证残气有效泄放的同时防止粉末泄漏。第三密封材料可根据密封贴合工艺的特点进行灵活选择，例如可以选择TPU防水透气膜、PTFE防水透气膜等防水透气材料，也可通过在非透气材料上打微孔洞进行等效替代。
本方案中，可以在第一密封结构1、第二密封结构2和第三密封结构3的至少一个结构上设计透气防水功能，以实现对粉囊4中空气的排出。
在一种实施例中，可以任意选择一种或两种结构设计透气防水功能。在另一种实施例中，可以将三个密封结构均设计为具有透气防水功能的结构。
在一种实施例中，第一密封结构1可以采用TPU防水透气膜、PTFE防水透气膜等防水透气材料，也可通过在非透气材料上打微孔洞来实现第一密封结构1的防水透气功能。
此处需要另外注意的是：若采用在第一密封结构1上设计透气防水功能，那么，就需要在第一密封结构1和空间柔性体6之间预留出空间，以使从第一密封结构1上的泄放通道排出的气体能够通过该预留空间顺利排出。
本方案进一步公开了一种空间柔性体配重结构设计方法，该方法的步骤包括：
S1、根据配重结构的应用场景和使用需求，对包括空间辐射、原子氧和热包络在内的空间环境要素进行影响度分析，确定影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素；
S2、根据分析确定的影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素，确定适应配重结构应用场景和使用需求的密封材料类型；
S3、根据空间碎片安全性需求和气体泄放通道孔径，确定配重结构中粉末的类型、粉末的物理性能参数、粉末的化学性能参数中的至少一种；
S4、根据柔性体折叠截面尺寸及安全弯折半径，确定配重结构尺寸以及配重结构中附着结构边缘和位于附着结构上的密封结构边缘的距离。
在步骤S1中，需要对空间辐射环境分析是由于高分子材料对紫外空间辐射较为敏感，可发生材料老化、脆裂等变化。因此，首先应进行空间辐射环境分析，根据配重结构在柔性体6的分布位置分析其面临的空间辐射环境及潜在影响。对于低轨，还应考虑原子氧对配重结构的影响。其次进行热包络分析，根据柔性体配重结构面临的空间热环境特点，分析配重结构密封结构材料及密封工艺材料所需要适应的热边界。
在一种实施例中，密封结构材料及密封工艺材料在选取时，可以考虑空间辐射、热交变等空间环境，即在柔性体6轨道生命周期内，配重结构粉末不泄露，不对柔性体6的展开及形态产生影响，因此，相关材料应优先选用耐高低温性能及抗辐射老化性能良好的材料。
在步骤S2中，根据空间环境分析结果及任务特点，选择适应相应空间环境包络的耐辐射、耐高低温、耐热冲击密封结构材料，以确保粉末不泄露，不对柔性体6的展开及形态产生影响为目标。
在一种实施例中，密封结构材料及密封工艺材料还应同时满足航天器对于可疑挥发物和溢出物的标准要求。此外，密封结构材料宜为非弹性材料，以免对柔性体6的展开、形态产生影响。考虑配重结构在地面使用过程中不可避免地会与粉囊4内粉末等产生摩擦，且配重结构还应满足高速碰撞无碎片化需求，因此配重结构材料应选用耐摩擦、耐撕裂、耐高温材料，并保证具有良好的粘接或者贴合强度。
在步骤S3中，粉末的选择，应选择耐高温、物化性能稳定、高密度、高硬度材料，颗粒细度以不超过100微米为宜。
在一种实施例中，粉囊4内粉末选择时应满足以下约束：
1)颗粒细度小。颗粒细度一方面需要大于气体泄放通道孔径，以保证粉末不泄漏，另一方面应不大于空间尘埃颗粒细度，以保证释放后的粉末能量小、不足以对空间飞行器产生严重破坏；
2)密度高。为了减小柔性体6的折叠体积，粉末应选用高密度材料；
3)硬度高，以防止折叠、挤压等操作造成粉末变形；
4)熔点高。由于高速碰撞瞬间粉末将面临上千到几千K的温度，因此粉末应为高熔点材料，以避免高速碰撞造成粉末熔融；
5)物化性质稳定。粉末应为耐氧化、防潮防生锈、抗蚀性能良好的材料，以保证地面存储时不发生影响其粉末态的物理或化学变化。
根据上述约束，可选粉末包括并不限于钨、钼、铌、钽等难熔金属及其合金或化合物粉末。
在步骤S4中，配重结构的尺寸和贴布位置的设计，是为了保证折叠操作不对配重结构造成弯折，从而减小折叠体积并保证粉囊4的安全，配重结构尺寸设计时应与柔性体6折叠位置预留足够的避让空间，避让空间的大小根据折叠工艺精度和柔性体6弯折半径进行灵活设计；为了进一步减小折叠体积，配重结构贴布位置可根据需要采用错位分布设计，即尽可能减小不同配重结构之间的彼此层叠。
在一种实施例中，如图5所示，为了保证折叠体积足够小，配重结构的尺寸及贴布位置设计时应与折叠位置预留一定的避让空间(例如图中l1和l2)，避让空间的大小根据折叠工艺精度以及柔性体6的弯折半径灵活设计，以保证折叠过程不对粉囊4造成弯折为前提。此外，为防止地面使用过程中大量粉末往一侧堆积，配重结构可采用宫格式粉囊4设计，将每个配重结构的粉末均匀分摊到宫格式分布的粉囊4中去。宫格的数量可视粉末的重量进行灵活调整，例如可以为四宫格粉囊4构型的配重结构。
本方案为了配合空间柔性体配重结构设计方法的实施，进一步提供了一种空间柔性体配重结构设计系统，该系统包括：分析模块、材料选取模块、参数计算模块和距离计算模块。该系统工作时，分析模块根据配重结构的应用场景和使用需求，对包括空间辐射、原子氧和热包络在内的空间环境要素进行影响度分析，确定影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素；材料选取模块根据分析确定的影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素，确定适应配重结构应用场景和使用需求的密封材料类型；参数计算模块根据空间碎片安全性需求和气体泄放通道孔径，确定配重结构中粉末的类型、粉末的物理性能参数、粉末的化学性能参数中的至少一种；距离计算模块根据柔性体折叠截面尺寸及安全弯折半径，确定配重结构尺寸以及配重结构中附着结构边缘和位于附着结构上的密封结构边缘的距离。
应当理解，本方案中各模块或单元可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(Programmable GateArray，PGA)，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)等。
下面通过实例对本方案做进一步说明。
本实施例以一折叠截面160mm×170mm的空间柔性体6为例，对其配重结构设计方式进行举例说明。具体地，具备空间碎片安全性与大尺度折叠性能的空间柔性体配重结构的设计过程如下：
1、空间环境分析：首先，进行空间辐射环境分析。在一个实施例中，配重结构面临的辐射环境包括在轨储存和在轨飞行两个阶段：(1)在轨储存时受铝合金外壳保护，此阶段空间辐射对配重结构影响极小；(2)在轨飞行阶段，由于配重结构贴布于柔性体6内表面，受抗辐射性能力良好的柔性体6材料保护，特别是紫外线由于穿透性极低，对配重结构影响也很小。在一个实施例中，配重结构材料外密封层选用聚酰亚胺，内密封层选用TPU，具有良好的耐紫外、耐辐射性能。其次，进行热包络分析。
本实施例中，配重结构面临的温度包括两部分：
(2)柔性体6折叠存储温度，范围不超过-40～+60℃；
(2)柔性体6展开后面临的温度，范围不超过-100～+135℃。
2、粉末选择。本实施例中，配重结构粉末选用钨粉，钨为高密度难熔金属，密度达到了19.25g/cm3，熔点超过3300℃，沸点更是达到了5000℃以上，颗粒细度0.4～30μm，且物化性质极其稳定，可充分满足实施例需求。
3、密封材料选择。本实施例中，由热包络分析可知，配重结构材料应保证在柔性体6折叠存储时无脆裂，即脆化、玻璃化温度不应低于-40℃；高温条件下材料无变形，即耐高温不低于+135℃。密封工艺应保证在所述温度包络内密封结构牢固可靠。同时，对于含气体泄放通道的密封层材料，还应保证漏气不漏钨粉。有鉴于此，本实施例设计采用内密封层气体泄放通道方案，内密封层选用防水透气TPU膜，外密封层选用黑色聚酰亚胺薄膜，密封工艺采用粘接工艺。
4、尺寸及贴布位置设计。本实施例中，如图6所示，柔性体6的折叠截面为160mm×170mm，设计配重结构与折叠位置的避让空间为10mm，配重结构的外边缘密封宽度为15mm，内部密封区域宽度为10mm。如图7所示，根据柔性体6Z型折叠的折叠工艺特点，配重结构在柔性体6表面结构上采取错位分布。
本实施例中，分别以不使用配重结构的3kg级柔性体6、使用配重结构的3kg级柔性体6与使用配重结构的6kg级柔性体6的折叠体积进行对比，其中，柔性体6的尺寸与折叠横截面(160mm×170mm)均一致。
经称量可以知，如图8至图10所示，使用配重结构的3kg级柔性体6比使用配重结构的3kg级柔性体6折叠体积大了约1.7L，比使用配重结构的6kg级柔性体6折叠体积也大了约1.3L，由此能够看出，采用本实例所述配重结构在减小柔性体6折叠体积方面具有显著优势，且配重越大，折叠体积的减小优势越明显。
经称量可以知，如图8至图10所示，使用配重结构的3kg级柔性体6与使用配重结构的6kg级柔性体6折叠状态，两者均使用同种柔性体6主体材料。由此可以看出，在不研发新材料的前提下，使用本实施例所述配重结构能够轻松实现柔性体6由3kg重量到6kg重量的调整，因此，本实施例所述配重结构能够实现柔性体6重量自由可调，拓展性极强，有助于节约研发周期和降低材料研制成本；
本实施例所述方案能够保证空间碎片安全性。如图11所示，为一个6kg柔性体配重结构实施例超高速碰撞过程效果，其粉末为钨粉。由图11可以看出，超高速碰撞过程表现为粉末的大角度弥散，且粉末未见团状熔融，由于钨粉细度仅为20±5μm，与空间尘埃同量级。由图还可见弹丸碰撞后仅发生头部微变形未解体。图12为实施例碰撞释放的钨粉对塑料挡板的损伤效果，由图可以看出，塑料挡板表现为表面轻微损伤无侵彻，分析可知释放的粉末对铝合金等金属材质结构的卫星损害很小。
综上所述，采用本方案所述配重结构及其设计方案可以突显以下效果：
1、能够显著降低折叠体积。由于粉末密度显著高于常用柔性材料的密度，因此基于本方案所述配重结构，可以实现仅需少量粉末即可实现所需重量配比，无须通过选用大厚度材料去实现相同重量配比，而柔性体的折叠体积主要取决于主体结构材料厚度；其次，配重结构与柔性体折叠位置预留一定避让空间，折叠过程中避免了对粉囊的弯折，从而不会增加弯折半径。最后，配重结构设计有气体泄放通道，避免了粉囊鼓胀，进一步降低了折叠体积。基于这三方面因素，可以显著降低柔性体折叠体积；
2、可扩展性强，经济性好，降低研发周期。仅通过调整配重结构的粉末数量，即可实现柔性体总重量灵活可调，而无需研制新型材料，同时由于以钨粉为代表的高密度难溶金属粉末已经有大规模工业生产能力，采购成本低，从而大大降低了研发周期和研制成本；
3、对柔性体展开回复力影响小。柔性体的展开回复力主要源自材料自身厚度带来的回复力以及材料弯折所需回复力，一方面由于本发明使得大质量柔性体选用轻、薄柔性材料成为可能，大大降低了材料自身刚度从而降低了柔性体展开回复力，另一方面由于配重结构设计时避开了折叠位置，对折叠处的材料厚度以及弯折半径几乎无影响，因此对柔性体展开回复力影响小。对于充气式柔性体，由于其展开回复力决定了所需充气量，因此本发明可以显著降低大质量柔性体对充气量需求；
4、能够保证空间碎片安全性。由于粉末为非连续介质，细度小且熔点高，高速碰撞过程将表现为粉末的大角度弥散，粉末释放后散布密度低，降低对在轨其它航天器的碰撞概率；同时粉末由于细度为微米量级，其能量非常小，弥散后相当于空间尘埃，对轨道上其它航天器的危害很小；粉末的非连续介质状态还可有效降低高速碰撞过程对碰撞物体的损害，避免碰撞物体的解体从而避免了二次碎片的产生。本方案还使得柔性体可以充分选用轻而薄柔性材料，进一步降低了柔性体本身产生碎片的风险。因此本发明的配重结构可以确保空间碎片安全性。
5、对质心影响小。一方面本方案采用宫格式粉囊设计，避免了局部粉末的堆积；另一方面采用柔性贴片式设计(附着结构)，可根据需要在柔性体表面均匀贴布。因此本发明对柔性体质心影响小。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种空间柔性体配重结构，其特征在于，包括：
位于附着结构上的第一密封结构；
位于第一密封结构上的通过第二密封结构相互间隔开的多个以阵列方式排布的粉囊；
覆盖在粉囊和第二密封结构上的第三密封结构；
所述第一密封结构通过附着结构与空间柔性体固定；
所述第一密封结构、第二密封结构和第三密封结构上均设有泄气通道，使第一密封结构、第二密封结构和第三密封结构与粉囊形成气体泄放通道；所述附着结构上对应第一密封结构上开设泄气通道的位置形成镂空结构；
多个配重结构通过附着结构，以阵列形式附着在柔性体上；
所述配重结构的边缘与柔性体上的弯折线具有避让距离。
2.根据权利要求1所述的空间柔性体配重结构，其特征在于，所述第一密封结构、第二密封结构、第三密封结构中的至少一种为柔性材料。
3.根据权利要求1所述的空间柔性体配重结构，其特征在于，所述附着结构为胶粘材料或热合固定材料。
4.一种如权利要求1-3任一所述的空间柔性体配重结构设计方法，其特征在于，该方法包括：
根据配重结构的应用场景和使用需求，对包括空间辐射、原子氧和热包络在内的空间环境要素进行影响度分析，确定影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素；
根据分析确定的影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素，确定适应配重结构应用场景和使用需求的密封材料类型；
根据空间碎片安全性需求和气体泄放通道孔径，确定配重结构中粉末的类型、粉末的物理性能参数、粉末的化学性能参数中的至少一种；根据柔性体折叠截面尺寸及安全弯折半径，确定配重结构尺寸以及配重结构中附着结构边缘和位于附着结构上的密封结构边缘的距离。
5.一种如权利要求1-3任一所述的空间柔性体配重结构设计系统，其特征在于，该系统包括：
分析模块，根据配重结构的应用场景和使用需求，对包括空间辐射、原子氧和热包络在内的空间环境要素进行影响度分析，确定影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素；
材料选取模块，根据分析确定的影响配重结构可靠性和安全性的空间环境要素，确定适应配重结构应用场景和使用需求的密封材料类型；
参数计算模块，根据空间碎片安全性需求和气体泄放通道孔径，确定配重结构中粉末的类型、粉末的物理性能参数、粉末的化学性能参数中的至少一种；
距离计算模块，根据柔性体折叠截面尺寸及安全弯折半径，确定配重结构尺寸以及配重结构中附着结构边缘和位于附着结构上的密封结构边缘的距离。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4588443A (en) * 1980-05-01 1986-05-13 Aktieselskabet Aalborg Pottland-Cement-Fabrik Shaped article and composite material and method for producing same
US4652502A (en) * 1985-12-30 1987-03-24 International Fuel Cells, Inc. Porous plate for an electrochemical cell and method for making the porous plate
WO2009103193A1 (zh) * 2008-02-21 2009-08-27 上海尼禄国际贸易有限公司 可重复利用的多功能立体密封包装材料及其制造方法
CN110978680A (zh) * 2019-10-30 2020-04-10 北京空间飞行器总体设计部 一种适用于载人环境的太空多功能充气式密封舱蒙皮结构

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4588443A (en) * 1980-05-01 1986-05-13 Aktieselskabet Aalborg Pottland-Cement-Fabrik Shaped article and composite material and method for producing same
US4652502A (en) * 1985-12-30 1987-03-24 International Fuel Cells, Inc. Porous plate for an electrochemical cell and method for making the porous plate
WO2009103193A1 (zh) * 2008-02-21 2009-08-27 上海尼禄国际贸易有限公司 可重复利用的多功能立体密封包装材料及其制造方法
CN110978680A (zh) * 2019-10-30 2020-04-10 北京空间飞行器总体设计部 一种适用于载人环境的太空多功能充气式密封舱蒙皮结构

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