空間遙感器復(fù)合材料主承力相機底板研制技術(shù)

寧曉周 黃 云 孫東華 房海軍

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空間遙感器復(fù)合材料主承力相機底板研制技術(shù)

寧曉周 黃 云 孫東華 房海軍

（北京空間機電研究所，北京 100076）

碳纖維復(fù)合材料因其質(zhì)量輕、比強度和比剛度高等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用到航天器結(jié)構(gòu)上。碳面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板因剛度不足而難以在空間光學(xué)遙感器上廣泛應(yīng)用。通過優(yōu)化設(shè)計，合理布局，研制出整體成型的碳纖維加強框架，提升普通蜂窩夾層結(jié)構(gòu)底板的力學(xué)性能，研究證明，該相機底板能夠大幅提高普通蜂窩夾層板的結(jié)構(gòu)剛度和強度，可以作為空間光學(xué)遙感器的主承力底板，對類似結(jié)構(gòu)的研制也具有一定的參考價值。

遙感相機；復(fù)合材料底板；結(jié)構(gòu)分析；加強框架

1 引言

由于空間光學(xué)遙感相機的輕量化及結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性要求，使得傳統(tǒng)的金屬材料底板難以作為首選方案。高模量碳纖維復(fù)合材料具有密度低、比模量和比強度高、熱膨脹系數(shù)低、性能可設(shè)計性、成型工藝性能好以及其它一些比傳統(tǒng)金屬材料優(yōu)越的抗化學(xué)腐蝕性、抗疲勞性、振動阻尼性能等特點，近年來受到遙感器設(shè)計師們的青睞。某型號光學(xué)遙感相機底板需要安裝眾多相機設(shè)備，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及力學(xué)性能要求高，本文擬采用碳纖維-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，但普通的碳纖維-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板剛度和強度較低，尚不滿足產(chǎn)品力學(xué)性能要求。根據(jù)相機設(shè)備安裝位置，不斷優(yōu)化設(shè)計，合理增加傳力路徑，本文研制出整體成型的幾子型碳纖維加強框架，并將其鑲嵌在普通的碳纖維-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板中，該方案能夠大幅度提高普通蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板的剛度和強度，可以滿足遙感相機對底板的嚴(yán)苛力學(xué)要求，作為空間光學(xué)遙感器主承力相機底板。

2 結(jié)構(gòu)方案選擇

為保證成像質(zhì)量，空間光學(xué)遙感相機對承載的相機底板有很高的強度和剛度要求。某空間光學(xué)遙感相機對其安裝底板性能指標(biāo)要求如下：結(jié)構(gòu)包絡(luò)尺寸(1200±0.5)mm×(1100±0.5)mm×(50±0.5)mm；相機底板總質(zhì)量≤20kg；在安裝所有遙感設(shè)備狀態(tài)下，相機承力底板基頻≥80Hz；遙感設(shè)備安裝面平面度優(yōu)于0.05mm，所有安裝孔位置精度優(yōu)于0.15mm；相機底板熱膨脹系數(shù)≤1e-6/℃；在、、三個方向分別加載30個g條件下，相機底板安全裕度不小于0.25。

普通金屬材料相機底板因重量及熱膨脹系數(shù)較大等劣勢已難以滿足空間光學(xué)遙感相機性能要求，而近年來蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板因其質(zhì)量輕、比強度和比剛度高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各衛(wèi)星平臺和其他航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上。本文在普通的高模量碳纖維復(fù)合材料面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板基礎(chǔ)上，為有效提高相機底板結(jié)構(gòu)剛度和強度，根據(jù)遙感相機安裝設(shè)備的傳力路徑，經(jīng)優(yōu)化分析和仿真計算，研制出整體成型的碳纖維幾字形加強框架來提高相機底板力學(xué)性能，研究證明，該類型遙感相機底板能夠解決普通蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度不足的問題，且各項力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于普通蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板，可作為各型號遙感相機主承力底板。

2.1 普通蜂窩加層結(jié)構(gòu)模型

通過有限元分析軟件MSC.Patran建立普通的碳纖維面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板模型，其中用3節(jié)點Tria3單元模擬蜂窩板，采用集中質(zhì)量點模擬空間遙感相機的所有設(shè)備，所有設(shè)備通過RBE2剛性連接在相機底板上，邊界條件為5個安裝點固支，約束安裝點6個自由度。對普通的相機底板進行模態(tài)分析及靜力分析，結(jié)果顯示普通相機底板一階頻率為58.64Hz，在1g重力作用下，該相機底板最大變形為0.085mm，最大應(yīng)力為11.8MPa，普通相機底板有限元模型及第一階模態(tài)振型圖見圖1。

圖1 普通相機底板及第一階模態(tài)圖

2.2 加強底板模型

由上面結(jié)果可見普通的碳纖維面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板剛度較低，無法滿足空間光學(xué)遙感相機對承力底板的剛度要求。本文根據(jù)衛(wèi)星設(shè)備安裝位置和約束條件，通過仿真分析，不斷地優(yōu)化設(shè)計，合理布局，盡量增加相機底板傳力路徑，反復(fù)迭代計算，研制出如圖2所示的整體成型碳纖維幾字形加強框架，該加強框架厚度1mm，重量約1kg，可作為一個大的整體預(yù)埋件鑲嵌在普通碳纖維面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板中。該加強框架旨在將遙感相機底板受力較大的設(shè)備安裝接口埋件放置在幾字槽內(nèi)。該方案的相機底板能夠在重量增加很小的情況下，大幅增加相機底板承載力的傳力路徑，同時能夠增強相機底板局部連接點的連接強度。經(jīng)有限元分析計算，內(nèi)嵌整體成型碳纖維幾字型加強框架的相機底板一階頻率達到141.05Hz，在1g重力作用下該相機底板最大變形為0.014mm，最大應(yīng)力為5.98MPa。圖3為內(nèi)嵌碳纖維幾字型加強相機底板有限元模型及第一階模態(tài)圖。該模型中的碳纖維加強框架采用2節(jié)點梁單元模擬，其他設(shè)置均與普通蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板相同。

圖2 整體成型幾字形碳纖維加強框架

圖3 加強的相機底板模型

兩種相機底板的分析結(jié)果對比如表1所示。

表1 兩種相機底板仿真結(jié)果

狀態(tài)重量/kg一階基頻/Hz最大變形/m最大應(yīng)力/Pa 無加強框架1858.648.5×10-511.8×107 有加強框架18.9141.051.4×10-55.98×106

由上述結(jié)果可知，相比普通蜂窩夾層相機底板，以很小的重量代價，內(nèi)嵌碳纖維整體幾字形加強框架相機底板結(jié)構(gòu)能夠獲得更好的剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，該方案能夠滿足空間遙感相機對底板的性能要求。

2.3 失效分析

為校核該方案相機底板的強度，按、、三個方向分別加載準(zhǔn)靜態(tài)載荷30個g進行失效分析。本文選用Hoffman失效準(zhǔn)則計算靜力過載下的失效因子和安全裕度。由結(jié)果可知，向加載時最大失效因子為0.177，最小安全裕度為4.24；向加載時最大失效因子為0.341，最小安全裕度為1.72；向加載最大失效因子為0.636，最小安全裕度為0.611，失效分析結(jié)果見圖4。

3 成型工藝研究

遙感相機底板整體結(jié)構(gòu)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，上下面板均采用高模量碳纖維/氰酸脂復(fù)合材料，中間夾層為鋁蜂窩，蜂窩選用有孔耐久性鋁蜂窩，規(guī)格為LF2Y 0.04mm×4mm，內(nèi)嵌整體碳纖維幾字形加強框架，相機設(shè)備的安裝孔及安裝平面通過各種金屬預(yù)埋件提供，孔位置度和安裝平面度由機加工藝保證，通過膠接成型工藝將各零部件組裝成一個整體結(jié)構(gòu)。

3.1 碳面板及加強框架成型

為保證相機底板的剛度和強度，碳面板和幾字形加強框架均選用高模量碳纖維作為增強材料。表2為高模量碳纖維的基本性能。樹脂基體選用氰酸酯樹酯，該樹脂具有優(yōu)良的電絕緣性能、極低的吸濕率、較高的耐熱性、優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性以及良好的力學(xué)性能，其基本性能如表3所示。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化，最終碳纖維面板采用對稱鋪層形式[0/+45/90/-45]s，加強框架鋪層形式[+45/-45/0/90]s，單層碳纖維無緯布厚度0.125mm，面板和加強框架總厚度均為1mm，等效模量為98GPa，等效熱膨脹系數(shù)為0.03×10-6/℃。

面板和加強框架成型工藝均采用真空袋-熱壓罐法，成型后，面板和加強框架均由數(shù)控機床后加工保證其外形尺寸及對應(yīng)孔位精度，加強框架在成型過程中由專門的成型工裝保證其形位尺寸。

表2 高模量碳纖維基本性能

牌號拉伸強度/MPa拉伸模量/GPa熱膨脹系數(shù)/ppm·℃-1熱導(dǎo)率/W·(mK)-1延伸率/%密度/g·cm-3 高模量碳纖維4020540-1.1155.750.81.91

表3 氰酸脂樹脂性能

密度/g·cm-3拉伸強度/MPa拉伸模量/GPa壓縮強度/MPa壓縮模量/GPa彎曲強度/MPa彎曲模量/GPa 1.1241.33.351753.881112.98

3.2 組裝膠接成型

所有安裝接口均通過在相機底板中埋置金屬預(yù)埋件實現(xiàn)，金屬預(yù)埋件選用鋁合金材料和鈦合金材料，采用機械加工保證其形位尺寸。組裝膠接前鋁合金預(yù)埋件需要進行磷酸陽極化處理、鈦合金預(yù)埋件需要進行表面噴砂處理以增強膠接質(zhì)量。組裝膠接時，選用中高溫固化結(jié)構(gòu)膠黏劑J-78B膠膜進行碳面板和鋁蜂窩之間的膠接，選用J-78D或J-78D2泡沫膠進行蜂窩之間拼接、蜂窩與預(yù)埋件及框架之間的膠接和局部加強。J-78 90℃固化膠粘劑主要性能見表4。

表4 J-78 90℃固化結(jié)構(gòu)膠粘劑主要性能

牌號室溫膠接剪切強度/MPa80℃膠接剪切強度/MPa室溫管抗剪切強度/MPa80℃管抗剪切強度/MPa J-78B≥23≥13 J-78D≥3.5≥2

相機底板成型后，因特殊要求，需要后粘接金屬墊片和碳纖維加強片等零件，本文選用J-133結(jié)構(gòu)膠粘劑來進行后粘接。該結(jié)構(gòu)膠粘劑在室溫(25±5)℃下，固化24～48h后，達到一定強度，可脫離夾具，7d后力學(xué)性能達到最佳固化狀態(tài)。主要性能見表5。

表5 J-133結(jié)構(gòu)膠粘劑性能

牌號組分外觀室溫膠接剪切強度/MPa100℃膠接剪切強度/GPa J-133甲組分∶乙組分100∶20乳白色≥25≥12

3.3 成型工藝流程

根據(jù)相機底板的結(jié)構(gòu)特點和性能要求，該相機底板成型生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。

圖5 相機底板成型工藝流程圖

最終成型后的相機底板重量為19.2kg，經(jīng)鑒定級振動試驗，相機底板一階基頻為136.36Hz，相機底板外形尺寸、相機設(shè)備安裝平面度和安裝孔位位置精度均由機加工藝后加工保證，產(chǎn)品各項數(shù)據(jù)均滿足總體設(shè)計要求。成型后的碳纖維整體加強框架如圖6所示，圖7為最終成型后的相機底板產(chǎn)品。

圖6 整體成型的加強框架圖

圖7 相機底板產(chǎn)品圖

4 結(jié)束語

普通的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度較低，本文根據(jù)相機設(shè)備安裝位置，通過合理布局，增加相機底板的傳力路徑，在普通的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相機底板中鑲嵌整體成型的碳纖維幾字形加強框架，能夠解決普通蜂窩板剛度不足的問題，這種新型的遙感相機底板能夠滿足空間光學(xué)遙感相機對結(jié)構(gòu)的剛高度和剛強度力學(xué)性能要求，并且碳纖維幾字形加強框架空間設(shè)計靈活，成型工藝性好，可以廣泛應(yīng)用于為同類型的遙感相機底板結(jié)構(gòu)中。

1 袁家軍. 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[M]. 北京：中國宇航出版社，2004

2 陳烈民. 航天器結(jié)構(gòu)與機構(gòu)[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2005

3 陳萍，章令暉，羅世魁，等. 一種復(fù)雜曲面型遮光罩的成型技術(shù)[J]. 航天返回與遙感，2013，34(6)：81～88

4 王偉之，高衛(wèi)軍，郭崇嶺，等. 空間相機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的拓撲優(yōu)化及尺寸優(yōu)化[J]. 航天返回與遙感，2012，33(6)：67～73

Study on Composite Material Main Force Baseplate in Space Remote Sensor

Ning Xiaozhou Huang Yun Sun Donghua Fang Haijun

(Beijing Institute of Space Mechanics＆Electricity, Beijing 100076)

Carbon fiber reinforced composites (CFRP) have been widely used in spacecraft structures due to their advantages such as light weight, high specific strength and high specific stiffness. It is difficult to be widely used in space optical remote sensor because of the lack of rigidity of carbon/aluminum honeycomb sandwich panels.In this paper, the whole forming carbon fiber reinforced frame is developed through the optimization design and reasonable layout to improve the mechanical properties of the common aluminum honeycomb sandwich structure with carbon fiber panel. The research results show that the new baseplate of the camera can greatly improve the stiffness and strength of the common camera baseplate, and it has some reference value for the development of the remote sensing camera baseplate.

opticsal remote sensor；composite material baseplate；structural analysis；reinforced frame

寧曉周（1985），工程師，工程力學(xué)專業(yè)；研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及成型工藝研究。

2017-05-04