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      空間特性模擬的微小飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動特性分析

      2021-03-30 05:20:50楊自鵬彭慧蓮劉敏張群楊勇林宏
      強(qiáng)度與環(huán)境 2021年6期
      關(guān)鍵詞:構(gòu)型飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      楊自鵬 彭慧蓮 劉敏 張群 楊勇 林宏

      空間特性模擬的微小飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動特性分析

      楊自鵬1彭慧蓮1劉敏2張群1楊勇1林宏1

      (1北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076;2 首都航天機(jī)械有限公司,北京 100076)

      為研究空間碎片等非合作目標(biāo)的可見光、紅外及運(yùn)動規(guī)律等空間特性,一般通過微小飛行器進(jìn)行模擬,因此,對微小飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了小發(fā)射尺寸、大展開面積、輕質(zhì)、高承載等技術(shù)需求。本文基于立方星架構(gòu)思想,進(jìn)行了空間特性模擬微小飛行器的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。在分析衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合設(shè)計(jì)要求、發(fā)射的重量及空間限制等約束,提出了艙段模塊化、尺寸系列化堆疊式構(gòu)型研制方案。通過三維建模設(shè)計(jì)和有限元分析,開展了多U微小飛行器的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與動特性分析。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)方案合理、強(qiáng)度剛度滿足指標(biāo)要求,可作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及地面試驗(yàn)環(huán)境條件制定的依據(jù)。

      特性模擬;立方星;多U微小飛行器;結(jié)構(gòu)方案;有限元分析

      0 引言

      隨著人類太空開發(fā)和探索活動的增多,空間碎片潛在的威脅和其軍事利用價(jià)值日益受到國際上各航天強(qiáng)國的密切關(guān)注,紛紛投入大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行了大量有關(guān)空間碎片的研究工作。其中一個(gè)研究方向是空間碎片特性研究,它對空間碎片的探測、航天器的防護(hù)和碎片減緩等問題的研究起著重要技術(shù)支撐的作用。為配合開展空間碎片目標(biāo)識別、控制及回收演示試驗(yàn),采用合作目標(biāo)的方式進(jìn)行空間碎片熱特性、光學(xué)特性[1]及運(yùn)動特性的模擬。這就要求合作目標(biāo)具備近距離小尺寸、遠(yuǎn)距離大尺寸、主動加熱及飛行姿態(tài)等模擬的能力,同時(shí)還應(yīng)滿足搭載發(fā)射的可靠性、安全性、包絡(luò)及質(zhì)量等要求。針對合作目標(biāo)空間碎片特性模擬的的研究,可通過搭載不同載荷的微小衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)尺寸、重量等指標(biāo),電氣系統(tǒng)通過主動加熱及姿態(tài)控制等實(shí)現(xiàn)紅外、運(yùn)動規(guī)律等指標(biāo)。微小衛(wèi)星技術(shù)是當(dāng)今空間技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)及遙感技術(shù)高度綜合的結(jié)晶[2]。微小衛(wèi)星具有成本低、研制周期短、發(fā)射靈活等優(yōu)點(diǎn),在商業(yè)航天的推動下,微小衛(wèi)星在空間中的業(yè)務(wù)應(yīng)用日趨成熟。其中,以立方星為主的微納衛(wèi)星,成為航天技術(shù)的熱點(diǎn)。立方星是一種小型化的衛(wèi)星,結(jié)構(gòu)簡單,1U立方星外形尺寸為10cm×10cm×10cm[3],根據(jù)任務(wù)的需要,也可將1U立方星擴(kuò)展為2U、3U甚至多U。在充分繼承傳統(tǒng)衛(wèi)星構(gòu)型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,基于立方星架構(gòu)思想,通過三維建模進(jìn)行空間碎片特性模擬的多U微小飛行器的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),最后利用有限元分析軟件開展微小飛行器的強(qiáng)度剛度校核和動特性分析,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)方案的合理性,并為后續(xù)開展地面試驗(yàn)環(huán)境條件的制定提供參考。

      1 微小衛(wèi)星構(gòu)型種類及特點(diǎn)

      衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的主要作用是承受地面運(yùn)輸、發(fā)射和空間運(yùn)行的力學(xué)和熱載荷環(huán)境,為有效載荷、儀器設(shè)備等提供安裝基礎(chǔ),與運(yùn)載火箭連接等。因此,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度,在經(jīng)得住不同力學(xué)環(huán)境的情況下[4],還能保證外形尺寸及儀器設(shè)備的安裝精度[5-6]。目前國內(nèi)外衛(wèi)星的構(gòu)型方式主要有中心承力筒式、箱板式、構(gòu)架式等[7]。

      1.1 承力筒式結(jié)構(gòu)

      此類構(gòu)型衛(wèi)星由中央承力筒和周維縱橫交錯(cuò)框組成,承力筒是衛(wèi)星主傳力結(jié)構(gòu)及核心部件,也在其內(nèi)安裝大尺寸推進(jìn)劑貯箱。具有承載能力強(qiáng)、承力均勻、力學(xué)性能好、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn);但也存在功能密度低、筒內(nèi)封閉、加工復(fù)雜、裝配及操作性差的缺陷。由于承力筒式構(gòu)型多應(yīng)用在大中型衛(wèi)星中,因此微小衛(wèi)星一般不宜采用此構(gòu)型。

      1.2 箱板式結(jié)構(gòu)

      一般由鋁面板蜂窩夾層板或單層板、加筋板、連接件等組裝而成,具有結(jié)構(gòu)形式及連接關(guān)系簡單,傳力路線短、承力均勻、提供較大安裝平面等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差、抗彎剛度低、無單獨(dú)承力結(jié)構(gòu)、裝配復(fù)雜、成本高等。

      1.3 構(gòu)架式結(jié)構(gòu)

      構(gòu)架式結(jié)構(gòu)是由機(jī)械加工或通過加工的梁構(gòu)件通過螺接或焊接等方式組裝而成的一種結(jié)構(gòu)形式,其結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度高、傳力路徑短且直接、擴(kuò)展性強(qiáng)、功能密度及模塊化程度高、容易分艙設(shè)計(jì)、成本低等[8]。但存在抗扭轉(zhuǎn)性能差、連接處載荷比較集中。

      考慮成本、工藝方案、裝配便利性、模塊化程度及可擴(kuò)展性、輕量化及可靠性等方面因素,對比箱板式及構(gòu)架式兩種構(gòu)型特點(diǎn),綜合立方星彈射筒發(fā)射方式,本文用于空間特性模擬的多U微小飛行器選用艙段模塊化的構(gòu)架式構(gòu)型。

      2 結(jié)構(gòu)總體方案

      2.1 總體要求

      根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,多U微小飛行器的質(zhì)量要求不大于23kg,在軌狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量占整個(gè)飛行器的比例不大于35%。搭載發(fā)射階段尺寸不大于310mm×310mm×310mm,近距離特性模擬面積不小于0.07m2,遠(yuǎn)距離特性模擬面積不小于近距離特性模擬尺寸的5倍,結(jié)合彈射筒分離方案確定的包絡(luò)要求見圖1。根據(jù)姿態(tài)控制要求,在軌狀態(tài)質(zhì)心在微小衛(wèi)星縱向軸線附近,要求橫向質(zhì)心偏差小于1.5mm,慣性積應(yīng)盡量小。微小飛行器能夠承受地面運(yùn)輸、發(fā)射和空間運(yùn)行的力學(xué)載荷環(huán)境要求,且整星頻率應(yīng)避免與運(yùn)載火箭產(chǎn)生過大的低頻耦合效應(yīng),一階振動頻率大于150Hz。

      圖1 包絡(luò)要求

      Fig.1 Envelope requirements

      2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

      與火箭發(fā)射的主載荷相比,多U微小飛行器結(jié)構(gòu)在搭載運(yùn)載火箭發(fā)射升空時(shí),要經(jīng)歷過載、振動等惡劣的力學(xué)環(huán)境,在軌道運(yùn)行時(shí)要經(jīng)受高低溫、空間粒子等嚴(yán)酷的空間環(huán)境,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路也有所不同,具體為

      a) 為降低火箭發(fā)射時(shí)動載荷對結(jié)構(gòu)及安裝設(shè)備的影響,一般以剛度為指標(biāo)[9],以強(qiáng)度為校核條件的剛度設(shè)計(jì);

      b) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行綜合、折中協(xié)調(diào),保證所有的設(shè)計(jì)要求全面符合;

      c)為盡可能的縮短研制周期、減小試驗(yàn)成本和降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分繼承、借鑒經(jīng)歷過飛行考核、較為成熟的設(shè)計(jì)技術(shù);

      d) 為降低生產(chǎn)成本,在滿足功能、性能要求的情況下,結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行簡潔設(shè)計(jì),即采用簡單的構(gòu)型、盡可能少的零件,通過模塊化、系列化實(shí)現(xiàn)組裝;

      e) 為降低成本,此小飛行器以火箭搭載的方式進(jìn)行發(fā)射,發(fā)射成本與搭載飛行器的重量一般成正比關(guān)系,限于重量限制,需進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì);

      f) 為兼顧有效載荷的功能需要及發(fā)射空間限制,需對有限的空間進(jìn)行合理、充分的利用。

      2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

      根據(jù)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及任務(wù)需求,進(jìn)行空間特性模擬多U微小飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。飛行器采用模塊化設(shè)計(jì)思路,根據(jù)單機(jī)、載荷結(jié)構(gòu)尺寸、特殊設(shè)備安裝要求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì),對儀器設(shè)備合理布局,滿足質(zhì)量特性的要求。飛行器每個(gè)艙段結(jié)構(gòu)采用7075鋁合金進(jìn)行整體銑削加工,每個(gè)艙段之間通過錐套及錐孔實(shí)現(xiàn)定位,經(jīng)上下端面外翻框連接螺栓實(shí)現(xiàn)緊固并承受橫向載荷,多U微小飛行器外形尺寸為:300mm×300mm ×300mm,收攏及特性模擬展開狀態(tài)見圖2。飛行器主體結(jié)構(gòu)理論外形尺寸為:280mm×280mm ×300mm,采用分艙式布局,由電源艙、控制艙、載荷艙及折疊展開板組成,見圖3,三個(gè)艙段模塊化設(shè)計(jì),高度尺寸系列化。其中電源艙高度為100mm,主要用來安裝鋰離子電池組、電源控制器、磁力矩器、測控天線及溫度傳感器等;控制艙是電源艙與載荷艙的過渡艙,高度為80mm,主要用來安裝三軸陀螺、GPS接收機(jī)及天線、任務(wù)管理組合、反作用飛輪、測控設(shè)備等;載荷艙高度為120mm,用于安裝CCD相機(jī)、紅外探測器、目標(biāo)識別設(shè)備等載荷及分離信號開關(guān)。展開板理論尺寸為:300mm×300mm×10mm,展開狀態(tài)形成較大面積用于在軌遠(yuǎn)距離空間特性模擬。

      圖2 多U微小飛行器總體示意圖(收攏及展開狀態(tài))

      Fig.2 Overall diagram of multi-U micro-aerospace

      圖3 飛行器本體結(jié)構(gòu)布局

      2.4 質(zhì)量特性計(jì)算

      根據(jù)儀器設(shè)備布局方案,在Creo中對每個(gè)零件進(jìn)行材料屬性設(shè)置,對所有儀器設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量、質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動慣量賦值,最后通過設(shè)置展開板的裝配角度(0°展開狀態(tài)和90°收攏狀態(tài))對整個(gè)小飛行器起飛狀態(tài)及在軌展開狀態(tài)分別進(jìn)行質(zhì)量特性(質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量)計(jì)算,見表4。結(jié)果表明

      a) 通過計(jì)算得到多U微小飛行器總質(zhì)量為21.5kg,其中結(jié)構(gòu)質(zhì)量為7.15kg,占總質(zhì)量的33.2%,滿足不超過35%的要求;

      b) 橫向質(zhì)心偏差均在1.5mm以內(nèi),結(jié)構(gòu)布局較合理,滿足質(zhì)心控制要求;

      c)慣性積比主慣量小近兩個(gè)數(shù)量級,滿足慣性積的要求,有利于小飛行器的在軌姿態(tài)控制。

      表1 多U微小飛行器質(zhì)量特性計(jì)算結(jié)果

      3 靜力分析及動特性分析

      3.1 有限元模型簡介

      利用Creo軟件構(gòu)建整個(gè)飛行器結(jié)構(gòu)實(shí)體裝配模型,按照多U微小飛行器工作狀態(tài),在MSC.Patran中建立展開板收攏和展開兩種狀態(tài)的有限元模型,見圖4,其結(jié)構(gòu)通過Tetmesh(Tet10)實(shí)體單元模擬。參數(shù)設(shè)置為,材料為鋁合金,彈性模量E=68GPa,泊松比ν=0.3。

      有限元模型簡化有如下幾點(diǎn)考慮[10-11]

      a) 艙內(nèi)的儀器設(shè)備以非結(jié)構(gòu)質(zhì)量附在主結(jié)構(gòu)上;

      b) 收攏狀態(tài)時(shí),由于展開板緊貼于小飛行器本體,對結(jié)構(gòu)的模態(tài)、振型影響較小,因此該狀態(tài)不對展開板進(jìn)行建模,其質(zhì)量以非結(jié)構(gòu)質(zhì)量附在主結(jié)構(gòu)上,其模型總質(zhì)量約22kg,見圖4 a);

      c) 展開狀態(tài)時(shí),假定展開板與本體的連接為理想剛化模型,采用共節(jié)點(diǎn)方式建模,其模型總質(zhì)量約22kg,見圖4 b)。

      圖4 收攏和展開狀態(tài)有限元模型

      3.2 結(jié)構(gòu)靜力分析

      多U微小飛行器在發(fā)射階段要承受惡劣的載荷環(huán)境,根據(jù)運(yùn)載火箭的載荷環(huán)境,縱向7.25g,橫向1.25g,最大過載作為輸入,取1.5倍安全系數(shù)。本文通過MSC patran中有限元靜力分析計(jì)算,飛行器底部固支,設(shè)計(jì)載荷條件下的變形、應(yīng)變和應(yīng)力分布云圖,如圖5、圖6所示,可知

      a) 最大合成位移為4.27×10-5m,位于飛行器頂部中心位置,位移分布從中心向四周近乎圓形減??;

      b) 最大應(yīng)變值為1.27×10-4,位于飛行器底部固支處;

      c) 最大Von Mises應(yīng)力值為10MPa,位于飛行器底部固支處,遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,可作為結(jié)構(gòu)高效承載優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

      圖5 固支收攏狀態(tài)變形和應(yīng)變分布云圖

      圖6 固支收攏狀態(tài)Mises應(yīng)力分布云圖

      3.3 動特性分析

      3.3.1自由展開狀態(tài)

      多U微小飛行器經(jīng)彈射筒分離,在軌完成近距離未展開空間特性模擬后,將一直作為遠(yuǎn)距離大尺寸空間特性模擬目標(biāo),此時(shí)展開板呈展開狀態(tài),因此,模態(tài)分析時(shí)自由狀態(tài)主要考慮展開狀態(tài)的模態(tài)振型。經(jīng)有限元計(jì)算可知,飛行器前6階頻率為零,表明有限元模型的連接關(guān)系正確,分析了前50階模態(tài)未出現(xiàn)飛行器整體模態(tài),均為展開板局部振型,飛行器的前幾階主要振型見圖7a)~d)。

      3.3.2收攏固支狀態(tài)

      考慮到飛行狀態(tài),飛行器在發(fā)射階段收攏放置在彈射筒內(nèi),底部的4個(gè)凸面與彈射筒彈簧推板接觸,頂部支撐塊與艙門接觸。與彈射筒沒有采用螺紋連接,為簡化接觸摩擦建模、為保證飛行安全,模態(tài)分析邊界可采用底部固支的偏保守方法,可確保分析結(jié)果具有較大的裕度。模態(tài)分析時(shí)按飛行器底部固支狀態(tài)進(jìn)行邊界簡化等效,頂部支撐處施加均布壓力39215Pa。

      由于振動能量主要來源于低頻模態(tài),因此分析主要考慮小飛行器前10階模態(tài)。經(jīng)有限元計(jì)算可知,固支狀態(tài)下,飛行器整體一階橫向?yàn)?00Hz,滿足整體基頻大于150Hz的要求,其中整體橫向、扭轉(zhuǎn)及縱向模態(tài)分析見圖8和表2。

      圖7 飛行器自由展開狀態(tài)主要振型

      表2 前10階模態(tài)(固支狀態(tài))

      4 結(jié)論

      本文基于立方星架構(gòu)思想,進(jìn)行了用于空間特性模擬的微小飛行器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。基于飛行器艙段模塊化的構(gòu)型特點(diǎn),結(jié)合各方面設(shè)計(jì)約束,通過結(jié)構(gòu)三維建模、靜力和動特性有限元分析,獲得了初步質(zhì)量特性,強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求,可作為后續(xù)小飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)和地面環(huán)境試驗(yàn)條件制定的參考。后續(xù)可將結(jié)構(gòu)效率提升、接觸邊界的連接精確建模作為研究目標(biāo),開展輕質(zhì)高承載結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、邊界條件精細(xì)化有限元分析,解決邊界等效差異,釋放余量實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)高效承載及優(yōu)化。

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      Structural Design and Dynamic Characteristics Analysis of Micro-Aerospace for Space Feature Simulation

      YANG Zi-peng1PENG Hui-lian1LIU Min2ZHANG Qun1YANG Yong1LIN Hong1

      (1 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China; 2 Beijing Aerospace Ares Technology Co.,Ltd., Beijing 100076, China)

      In order to study space feature of visible light, infrared and motion laws of non-cooperative targets such as space debris, it is generally simulated by a micro-aerospace.Therefore, technical requirements are put forward for micro-aerospace structure design in small launch size, large expansion area, light weight, high load bearing and other aspects.Based on the idea of cube sat architecture, the structural scheme of space feature simulation micro-aerospace is designed in this paper.By analyzing the characteristics of satellite configuration design, combined with the constraints of design requirements, launch weight and space constraints, the development scheme of stacked configuration with modular cabin and serialized size is proposed.The structural scheme design and dynamic characteristic analysis of multi-U micro-aerospace are carried out through three-dimensional modeling design and finite element analysis.The analysis results show that the structural scheme is reasonable.At the same time, the strength and stiffness meet the task requirements, which can be used as the basis for structural optimization and ground test environmental conditions.

      Feature simulation; Cube sat; Multi-U micro-aerospace; Structural scheme; Finite element analysis

      V423.9

      A

      1006-3919(2021)06-0039-06

      10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.06.006

      2021-05-27;

      2021-08-12

      航天系統(tǒng)部專用技術(shù)(30506050301)

      楊自鵬(1987—),男,高級工程師,碩士,研究方向:空間飛行器設(shè)計(jì);(100076)北京9200信箱10分箱43號.

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