影響設(shè)備安裝精度的航天器結(jié)構(gòu) 因素及優(yōu)化措施

劉建新

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器結(jié)構(gòu)是指一個(gè)為航天器本體提供構(gòu)型，承受和傳遞載荷，并保持一定剛度和尺寸穩(wěn)定性的部件，是航天器的主體骨架。它既為航天器上其他分系統(tǒng)提供支撐、安裝接口，使航天器各分系統(tǒng)的設(shè)備以及電纜、管路、防護(hù)材料等附屬物體和器件能夠與結(jié)構(gòu)體本身集成為一個(gè)完整的器體，也為運(yùn)載火箭和地面操作設(shè)備等提供各種接口關(guān)系和連接形式。在地面操作、運(yùn)輸、發(fā)射、空間運(yùn)行、返回的全壽命周期的過程中，航天器結(jié)構(gòu)要能承受振動(dòng)、沖擊、加速度、溫度梯度等多方面的載荷[1]。早期的航天器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本上采用的是金屬殼體薄壁結(jié)構(gòu)。隨著航天器功能需求的不斷增加，材料工藝與設(shè)計(jì)手段的不斷發(fā)展，航天器結(jié)構(gòu)形式逐步向構(gòu)型復(fù)雜，質(zhì)量載荷比小，尺寸容積變大，剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性更高的方向發(fā)展[2]。按照結(jié)構(gòu)形狀及傳遞載荷性質(zhì)分類，目前我國(guó)航天器的結(jié)構(gòu)可以分為中心承力筒及箱板結(jié)構(gòu)、密封殼體結(jié)構(gòu)、桿系結(jié)構(gòu)（也稱桁架結(jié)構(gòu)）、箱形板式結(jié)構(gòu)和組合式復(fù)雜結(jié)構(gòu)。除此之外，根據(jù)飛行任務(wù)及性質(zhì)不同，還有空間太陽能發(fā)電站大型桁架結(jié)構(gòu)、空間太陽帆充氣結(jié)構(gòu)、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)械物理性能可變化的智能結(jié)構(gòu)等，這些先進(jìn)的結(jié)構(gòu)因?yàn)闆]有實(shí)際在研，故不在本文的討論范圍之列。

航天器上有安裝精度要求的設(shè)備為姿態(tài)控制及推進(jìn)裝置（如星敏感器、太陽敏感器、陀螺、 動(dòng)量輪、10 N 發(fā)動(dòng)機(jī)等）、有效載荷設(shè)備（如相機(jī)、天線等）以及某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如太陽電池陣驅(qū)動(dòng)器、天線展開機(jī)構(gòu)、空間機(jī)械臂、月壤鉆取機(jī)構(gòu)等）。根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，設(shè)備相對(duì)航天器本體結(jié)構(gòu)的位置和姿態(tài)6 個(gè)自由度要達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求，某些高精度設(shè)備要求姿態(tài)精度達(dá)到1′以內(nèi)，位置精度達(dá)到 0.1 mm。由于衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（多為復(fù)合材料或薄壁結(jié)構(gòu)），不可能提供較多的機(jī)械安裝基準(zhǔn)（事實(shí)上，結(jié)構(gòu)本身大多只能提供安裝孔位和一個(gè)安裝面），即設(shè)備在航天器結(jié)構(gòu)上的安裝是“不靜定”的，因此需要在航天器總裝集成期間對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量調(diào)整，使其在飛行任務(wù)期間能夠保持精確的位置和姿態(tài)關(guān)系，確保為航天器提供精確的姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)以及對(duì)任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行精確的指向遙感及觀測(cè)。但根據(jù)歷次型號(hào)的飛行總結(jié)，某些設(shè)備的精度遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面測(cè)量值有一個(gè)較大的偏差，這是因?yàn)椋涸谲壍木葦?shù)據(jù)誤差是各階段、各類誤差的累積，不但與航天器本體結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、設(shè)備工作特性有關(guān)，而且與姿軌控系統(tǒng)本身精度、遙測(cè)及測(cè)控系統(tǒng)精度有關(guān)。

航天器在研制、發(fā)射、在軌運(yùn)行期間，要經(jīng)歷各種環(huán)境，承受各種載荷，不同環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)精度和設(shè)備安裝精度產(chǎn)生影響的機(jī)理、影響的效果都不盡相同。本文總結(jié)了各型號(hào)航天器研制過程中影響設(shè)備安裝精度的共性問題，分析了空間環(huán)境、航天器總裝集成、結(jié)構(gòu)部裝以及加工制造對(duì)航天器結(jié)構(gòu)的影響因素，提出基于設(shè)備裝配精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素，以供后續(xù)航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總裝設(shè)計(jì)及總裝測(cè)量測(cè)試借鑒。

1 空間環(huán)境對(duì)航天器結(jié)構(gòu)精度的影響及應(yīng) 對(duì)策略

1.1 影響因素

在軌空間環(huán)境對(duì)航天器結(jié)構(gòu)精度保持有重要影響。航天器的軌道環(huán)境包括工作環(huán)境和空間環(huán)境。工作環(huán)境指航天器在執(zhí)行任務(wù)期間產(chǎn)生一系列動(dòng)態(tài)事件時(shí)的環(huán)境，如艙段分離時(shí)火工鎖爆炸解鎖產(chǎn)生的沖擊、太陽電池陣或天線展開產(chǎn)生的沖擊、變軌發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生的沖擊和羽流等。它們的干擾力雖然不是很大，但是有可能與控制系統(tǒng)的某些設(shè)備響應(yīng)基頻吻合而產(chǎn)生力學(xué)耦合現(xiàn)象，從而使控制 系統(tǒng)產(chǎn)生不可接受的誤差[3]。空間環(huán)境與航天器的飛行任務(wù)密切相關(guān)，近地空間環(huán)境包括：真空、熱輻射、帶電粒子輻射、紫外輻射、原子氧、空間碎片或微流星體、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)[4]，不同軌道高度空間環(huán)境不盡相同，對(duì)航天器結(jié)構(gòu)造成不同的影響，從而不同程度地影響設(shè)備安裝精度。

1）振動(dòng)與噪聲環(huán)境

在發(fā)射階段，航天器結(jié)構(gòu)要承受來自運(yùn)載火箭的各種載荷，包括振動(dòng)與噪聲載荷、加速度載荷和分離產(chǎn)生的沖擊載荷等。其中，振動(dòng)與噪聲載荷可能會(huì)與航天器結(jié)構(gòu)或設(shè)備的基頻響應(yīng)產(chǎn)生力學(xué)耦合現(xiàn)象；當(dāng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火不同步時(shí)或火箭跨聲速形成脈動(dòng)的最大氣動(dòng)載荷時(shí)，航天器結(jié)構(gòu)會(huì)受到振動(dòng)的橫向載荷等。這些載荷均會(huì)影響航天器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

2）真空和熱環(huán)境

航天器在軌運(yùn)行時(shí)的高真空環(huán)境可使非金屬、復(fù)合材料產(chǎn)生出氣現(xiàn)象，使材料產(chǎn)生翹曲變形；密封結(jié)構(gòu)的航天器在真空環(huán)境下會(huì)因內(nèi)外壓力差而導(dǎo)致艙體結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大，進(jìn)而產(chǎn)生變形。在軌航天器處在一個(gè)太陽輻照與地球陰影區(qū)間運(yùn)行的溫度交變環(huán)境中，溫差可達(dá)到±100 ℃以上，處于這樣一個(gè)交變溫度場(chǎng)中，航天器結(jié)構(gòu)材料會(huì)產(chǎn)生熱變形。航天器結(jié)構(gòu)材料和艙體結(jié)構(gòu)的變形均會(huì)影響安裝于其上的儀器設(shè)備的安裝精度。

3）微重力環(huán)境

航天器上安裝質(zhì)量較大設(shè)備的部位或設(shè)備安裝較集中的結(jié)構(gòu)部位在地面時(shí)會(huì)由于重力的影響而產(chǎn)生彈性變形，在空間微重力環(huán)境下，這些結(jié)構(gòu)的彈性變形有所恢復(fù)，會(huì)影響其上設(shè)備的安裝精度。

4）空間輻射及原子氧

空間帶電粒子會(huì)對(duì)航天器本體及設(shè)備產(chǎn)生各種輻射效應(yīng)，與衛(wèi)星本體產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)[5]，從而使航天器本體結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能變化，自然也會(huì)影響結(jié)構(gòu)精度；原子氧會(huì)對(duì)航天器的表面材料產(chǎn)生侵蝕損害，降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，影響結(jié)構(gòu)精度。

1.2 解決措施

航天器發(fā)射、空間在軌運(yùn)行時(shí)脫離了人工干預(yù)，其結(jié)構(gòu)性能取決于已設(shè)計(jì)的要素。但在航天器的研制與總裝集成階段，則可通過相關(guān)試驗(yàn)，改進(jìn)、 加強(qiáng)設(shè)計(jì)來提高結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，更好地為星上設(shè)備安裝精度提供可靠性保證。具體解決措施有：

1）考慮到發(fā)射時(shí)各種載荷的影響，針對(duì)不同型號(hào)航天器，應(yīng)加強(qiáng)與運(yùn)載的協(xié)調(diào)和試驗(yàn)驗(yàn)證與分析，保證航天器結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性符合要求[6-7]。

2）對(duì)于真空環(huán)境下因出氣而導(dǎo)致材料的變形，解決措施之一是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)壁板上鉆通氣小孔，使夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部芯格與外部通氣，來消除出氣現(xiàn)象。

3）對(duì)于真空環(huán)境下航天器密封結(jié)構(gòu)因壓力差而導(dǎo)致的變形，可在地面預(yù)先往結(jié)構(gòu)內(nèi)充0.5 個(gè)大氣壓的氣體以減小航天器結(jié)構(gòu)在軌的內(nèi)外壓差。

4）對(duì)于空間交變溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力和熱變形，應(yīng)加強(qiáng)膨脹系數(shù)與循環(huán)次數(shù)的相關(guān)技術(shù)研究[5,8]，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。

5）對(duì)于微重力環(huán)境造成結(jié)構(gòu)彈性變形的恢復(fù)，可在結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位安裝一個(gè)“微重力”測(cè)量基準(zhǔn)，把空載（未安裝設(shè)備時(shí)）狀態(tài)下的測(cè)量數(shù)據(jù)與滿載（已安裝其他設(shè)備）狀態(tài)下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，而后在實(shí)際調(diào)整時(shí)進(jìn)行偏差補(bǔ)償，這樣會(huì)部分消除微重力的影響。

6）對(duì)于空間輻射環(huán)境給航天器表面材料和結(jié)構(gòu)造成的損傷，則需進(jìn)一步對(duì)其損傷機(jī)理進(jìn)行分析，加強(qiáng)航天器表面材料和結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)研究，在航天器結(jié)構(gòu)表面安裝防護(hù)材料以及進(jìn)行表面工程的處理。

2 航天器總裝集成對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及應(yīng)對(duì)措施

對(duì)于高精度要求的設(shè)備，在總裝集成階段應(yīng)測(cè)量調(diào)整到位，為此，先要在結(jié)構(gòu)部裝結(jié)束后安裝一個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)。測(cè)量基準(zhǔn)代表了航天器本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，是后續(xù)設(shè)備安裝測(cè)量時(shí)的基礎(chǔ)，因此一定要將其安裝在航天器結(jié)構(gòu)剛度最好的部位。對(duì)于中心承力筒結(jié)構(gòu)，一般安裝在結(jié)構(gòu)底板緊靠承力筒下框部位；對(duì)于密封結(jié)構(gòu)，則安裝在剛性最好的大底或大梁上。

2.1 設(shè)備安裝精度的偏差產(chǎn)生原因分析

因?yàn)楹教炱鹘Y(jié)構(gòu)不可能是絕對(duì)剛體，設(shè)備安裝精度在航天器不同技術(shù)狀態(tài)下會(huì)有一定偏差，根據(jù)型號(hào)研制的歷史經(jīng)驗(yàn)，其共性問題可以歸納為如下幾點(diǎn)：

1）某些設(shè)備的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面段總裝測(cè)量的數(shù)據(jù)有一定偏差，最大可達(dá)0.2°。

2）航天器在總裝集成期間的不同技術(shù)狀態(tài)，如開艙合艙前后、空載狀態(tài)與滿載狀態(tài)、單艙狀態(tài)與多艙對(duì)接狀態(tài)、充氣加壓前后（對(duì)于密封結(jié)構(gòu)而言），精度測(cè)量數(shù)據(jù)有一定偏差，最大可達(dá)7′～9′。

3）航天器在總裝期間設(shè)備會(huì)因頻繁拆裝操作而影響測(cè)量基準(zhǔn)及高精度設(shè)備的調(diào)整，故需在一定階段進(jìn)行測(cè)量基準(zhǔn)的重新校核。

我國(guó)航天器雖發(fā)生過個(gè)別型號(hào)設(shè)備支撐件局部強(qiáng)度不夠的現(xiàn)象，但本體結(jié)構(gòu)均很穩(wěn)定，經(jīng)過歷次地面試驗(yàn)驗(yàn)證，航天器力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)前后、熱試驗(yàn)前后、大型附件（如太陽電池陣）安裝前后、運(yùn)輸前后等狀態(tài)，其精度測(cè)量數(shù)據(jù)一致性較好。

設(shè)備安裝精度偏差產(chǎn)生的原因顯然與結(jié)構(gòu)（包括航天器本體結(jié)構(gòu)、次級(jí)結(jié)構(gòu)、設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)）的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性有關(guān)。這些偏差不可能完全消除，但可以通過定性定量歸納總結(jié)偏差規(guī)律、優(yōu)化裝配工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、科學(xué)規(guī)劃測(cè)量方案及數(shù)據(jù)處理來盡量減小偏差或消除其影響，這對(duì)提高航天器性能，更好地完成飛行任務(wù)具有十分重要的意義。

2.2 對(duì)復(fù)合材料的碳纖維承力筒及鋁芯蜂窩板結(jié) 構(gòu)的影響因素及應(yīng)對(duì)措施

2.2.1 影響因素 主結(jié)構(gòu)為復(fù)合材料的碳纖維承力筒及鋁芯蜂窩板的航天器，設(shè)備精測(cè)數(shù)據(jù)偏差較大的情形一般出現(xiàn)在兩種情況下：一是結(jié)構(gòu)艙板打開狀態(tài)與合攏狀態(tài)；二是儀器設(shè)備集中安裝前與集中安裝管路、電纜及其他設(shè)備后。這說明主結(jié)構(gòu)變形受裝配應(yīng)力及重力作用的雙重影響，其中的機(jī)理可以歸納為：

1）受結(jié)構(gòu)材料本身剛度的局限，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度取決于對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造工藝的進(jìn)一步提高，在空間微重力環(huán)境下，由結(jié)構(gòu)載荷的重力作用產(chǎn)生的彎矩會(huì)消失，這有利于減小結(jié)構(gòu)形變。

2）若結(jié)構(gòu)尺寸精度、裝配配合精度不夠則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處的鋁合金 或鈦合金材料預(yù)埋件會(huì)在蜂窩板內(nèi)受到拉、壓、剪切、彎矩作用力，安裝于結(jié)構(gòu)板側(cè)壁的儀器設(shè)備使結(jié)構(gòu)板彎曲，這些因素均會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)變形。

3）為滿足安裝在航天器艙內(nèi)設(shè)備的精測(cè)需要，常在結(jié)構(gòu)板上開孔，以便測(cè)量?jī)x器觀測(cè)。這些孔顯然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。

2.2.2 應(yīng)對(duì)措施

1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接剛度，可以改進(jìn)結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)，例如在結(jié)構(gòu)連接拐彎處加裝加強(qiáng)筋，將結(jié)構(gòu)連接的弱約束變?yōu)閺?qiáng)約束，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)連接加強(qiáng) Fig.1 Component joint reinforcement

2）為避免開孔對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，在進(jìn)行儀器設(shè)備安裝布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過光通路分析，采用合理布局，或者改變被測(cè)設(shè)備上測(cè)量基準(zhǔn)的安裝位置以避免開孔；對(duì)于必須開的孔，可以考慮填埋光學(xué)玻璃組件以增大開孔處的連接剛度和強(qiáng)度。

2.3 對(duì)金屬殼體或組合形式結(jié)構(gòu)的影響因素及應(yīng) 對(duì)措施

2.3.1 影響因素

主結(jié)構(gòu)為金屬殼體的或組合形式的航天器，其精度影響因素不盡相同。其主要體現(xiàn)為密封殼體加壓前后狀態(tài)、艙段對(duì)接前后狀態(tài)結(jié)構(gòu)形變較大，電纜管路及設(shè)備本身重力因素對(duì)結(jié)構(gòu)形變影響則較小[9-10]，原因主要有兩點(diǎn)：一是殼體結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)對(duì)稱體，在總裝布局設(shè)計(jì)方面易于做到均勻；二是密封殼體結(jié)構(gòu)受力特性與箱板式結(jié)構(gòu)不同，更抗彎，剪切力相似而正壓力小。

2.3.2 應(yīng)對(duì)措施

1）對(duì)于航天器不同技術(shù)狀態(tài)下的精度測(cè)量數(shù)據(jù)偏差，不可憑主觀判斷進(jìn)行技術(shù)處理，要通過定性定量分析并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證找出原因，而后進(jìn)行偏差修正或者在條件許可時(shí)直接修改結(jié)構(gòu)。例如：“神舟三號(hào)”總裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)安裝在返回艙大底的測(cè)量基準(zhǔn)在密封艙安裝前后的狀態(tài)其精測(cè)數(shù)據(jù)偏差較大，直觀感覺認(rèn)為是密封艙的重力載荷使大底發(fā)生變形所致，但經(jīng)過多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題并不能復(fù)現(xiàn)；經(jīng)過仔細(xì)觀察分析，發(fā)現(xiàn)連接螺釘沒有加載預(yù)緊力時(shí)的數(shù)據(jù)變化并不大，由此判斷并通過試驗(yàn)證明大底的變形是密封艙與大底的裝配結(jié)合應(yīng)力所致，而與密封艙結(jié)構(gòu)重力關(guān)系不大。究其原因，與“神舟一號(hào)”和“神舟二號(hào)”相比，“神舟三號(hào)”受結(jié)構(gòu)重量的制約，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將大底側(cè)壁結(jié)構(gòu)尺寸減薄了一些致使結(jié)構(gòu)剛度無法滿足精測(cè)要求。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其他技術(shù)要求是經(jīng)過充分論證了的，但精測(cè)這一環(huán)節(jié)事先無法預(yù)知和驗(yàn)證，為此，只好修改測(cè)量方案，調(diào)整為以軌道艙作為整船的測(cè)量基準(zhǔn)。2）對(duì)于密封殼體結(jié)構(gòu)在加壓后產(chǎn)生的形變，考慮到測(cè)量基準(zhǔn)安裝部位的形變與設(shè)備安裝部位的形變可能是同一量級(jí)，這時(shí)不宜用常規(guī)的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)試，可在航天器外部固定處設(shè)置一個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)，測(cè)出航天器在加壓前后的結(jié)構(gòu)形變量，設(shè)備的精度測(cè)試亦應(yīng)用加壓前的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，但要考慮在空間環(huán)境下艙內(nèi)外的壓力差會(huì)減小或消失。

3）航天器結(jié)構(gòu)變形可分為彈性變形和塑性變形，一般表現(xiàn)為在加壓、熱膨脹、星上設(shè)備重力作用下呈彈性變形，在裝配應(yīng)力作用下、動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)后呈塑性變形。對(duì)于結(jié)構(gòu)塑性變形后星上儀器設(shè)備的測(cè)量調(diào)整，因?yàn)槠湫巫兪遣豢苫謴?fù)的，故不需要考慮變形量；而對(duì)于彈性變形，因?yàn)樾巫兛苫謴?fù)，需測(cè)量計(jì)算出變形量，而后在實(shí)際測(cè)調(diào)過程中加以補(bǔ)償和抵消，具體方法是：設(shè)星上某設(shè)備相對(duì)星體結(jié)構(gòu)的初始位姿關(guān)系式為M1,結(jié)構(gòu)彈性變形后的位姿關(guān)系式為M2，則變形量為Mε=M1M2-1；如果設(shè)備精度技術(shù)要求的理論值為Mt，則在調(diào)整時(shí)應(yīng)參考的理論值為Mp=Mt。

3 結(jié)構(gòu)部裝、制造對(duì)航天器結(jié)構(gòu)的影響及 應(yīng)對(duì)措施

3.1 影響因素

結(jié)構(gòu)部裝為航天器提供一個(gè)基本的主體構(gòu)架，其精度是總裝階段設(shè)備安裝精度保證的前提。在結(jié)構(gòu)部裝階段，不僅要保證裝配連接的可靠性和結(jié)構(gòu)尺寸精度的穩(wěn)定性，而且應(yīng)對(duì)其精度進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和調(diào)整。這不但取決于結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計(jì)及裝配的質(zhì)量（包括連接孔設(shè)計(jì)和安裝孔加工），而且取決于緊固件的質(zhì)量，緊固件的選用必須符合相關(guān)航天標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于安裝有精測(cè)要求的設(shè)備在預(yù)緊力和防松方面要格外予以重視。

目前航天器大多采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（只有密封式殼體結(jié)構(gòu)采用的是金屬基體+防熱材料結(jié)構(gòu)），最常用的是連續(xù)碳纖維復(fù)合材料。這種材料具有重量輕、強(qiáng)度高、剛度高以及在很大溫度范圍內(nèi)尺寸穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)特性，其結(jié)構(gòu)制造工序包括鋪層、纏繞、加熱加壓固化等。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)制造缺陷特別敏感，因?yàn)檫@些缺陷會(huì)引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的明顯降低，故應(yīng)進(jìn)行更嚴(yán)格的質(zhì)量控制，重點(diǎn)要注意以下幾個(gè)方面：1）由空氣殘留、分層、缺膠和其他因素引起的層間空隙或基體空隙過多；2）樹脂不完全固化或者層間樹脂過多或者層間結(jié)合度不合格；3）纖維破損、起皺或隆起；4）層間夾雜有多余物；5）單層主體材料方向指向不正確。

3.2 應(yīng)對(duì)措施

1）緊固件的選用必須符合相關(guān)航天標(biāo)準(zhǔn)。連接孔公差必須避免緊固件工作時(shí)發(fā)生黏合、彎曲或滑移，要保證足夠的螺紋嚙合來承受載荷。對(duì)于有精測(cè)要求的設(shè)備的安裝孔位加工，因?yàn)橐诳傃b階段對(duì)設(shè)備進(jìn)行精度調(diào)整，緊固件將承受更大的剪切力，所以在預(yù)緊力和防松方面要格外予以重視，這時(shí)不宜使用自鎖螺釘。

2）材料基體吸收的濕氣會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化，故尺寸關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件必須在低濕度的環(huán)境下組裝和保存。常用的基體材料環(huán)氧樹脂吸濕度相對(duì)較高，目前已開發(fā)出一種吸濕度特別小的樹脂（比現(xiàn)有樹脂小40 倍以上）[11]，這將大大提高材料的尺寸穩(wěn)定性。

4 針對(duì)提高設(shè)備安裝精度可靠性的結(jié)構(gòu)優(yōu) 化設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

根據(jù)對(duì)航天器型號(hào)總裝集成測(cè)試過程中共性問題的總結(jié)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總裝設(shè)計(jì)方面給出幾點(diǎn)建議。

1）要保證結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性以滿足載荷和精度方面的要求，除在結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)以外，還應(yīng)重視材料的選擇。由于航天器結(jié)構(gòu)材料在整星質(zhì)量比方面有嚴(yán)格的限制要求，故需要研發(fā)和采用密度小和線膨脹系數(shù)小，彈性模量和強(qiáng)度高的材料。

2）在設(shè)備總裝設(shè)計(jì)方面，盡量采用最直接的傳力路線和裝配關(guān)系，以最經(jīng)濟(jì)有效的方式保證結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，并利于測(cè)量和試驗(yàn)分析，防止結(jié)構(gòu)變形“多級(jí)傳遞”對(duì)結(jié)構(gòu)精度產(chǎn)生影響；對(duì)于總裝直屬件次級(jí)結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分考慮其剛度和基頻，以防止振動(dòng)和噪聲環(huán)境使其產(chǎn)生力學(xué)耦合現(xiàn)象；對(duì)于安裝高精度設(shè)備的結(jié)構(gòu)件，在運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)[12]，應(yīng)將剛度和穩(wěn)定性設(shè)為主要的設(shè)計(jì)變量，將裝配精度設(shè)為目標(biāo)函數(shù)。

3）盡量使儀器設(shè)備重量均勻布局，讓結(jié)構(gòu)承受均勻載荷，這也是保證航天器質(zhì)心的精度要求。由于儀器設(shè)備的工作要求以及航天器結(jié)構(gòu)形式的限制，不可能做到高精度儀器設(shè)備完全均布，故在高精度儀器設(shè)備集中安裝的重點(diǎn)部位，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，如：對(duì)金屬大底加筋、對(duì)箱板式結(jié)構(gòu)加裝加強(qiáng)連接桿，或者在制造過程中直接采用增加結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度的工藝措施；對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其材料參數(shù)可變，可進(jìn)行局部的強(qiáng)度和剛度性能加強(qiáng)。

4）根據(jù)精度保證要求制定專門的驗(yàn)證方案和計(jì)劃，采用分析驗(yàn)證、類比驗(yàn)證、鑒定試驗(yàn)等各種技術(shù)手段來進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果決定是否進(jìn)行適應(yīng)性修改。

5）進(jìn)行故障模式及影響分析（FMEA）[9]，全面分析結(jié)構(gòu)產(chǎn)品滿足性能要求的可靠性，識(shí)別所有可能的結(jié)構(gòu)故障及影響，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)償或糾正措施。進(jìn)行該項(xiàng)分析時(shí)，可按與設(shè)備安裝精度有關(guān)的故障模式進(jìn)行專題分析，如結(jié)構(gòu)剛度偏低、穩(wěn)定性不足、部件加工及裝配精度未達(dá)到要求、基頻低、變形大等。分析程序應(yīng)按照零件、組件、結(jié)構(gòu)部裝、總裝集成整體結(jié)構(gòu)，逐級(jí)充分識(shí)別所有可能出現(xiàn)的故障及影響程度并制定出有效應(yīng)對(duì)措施，從而提高可靠性。

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