基于3D打印的微小衛(wèi)星推進(jìn)劑系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 欣 孫兆偉 葉 東 吳 凡 董 鵬 侯誼飛

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基于3D打印的微小衛(wèi)星推進(jìn)劑系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 欣1孫兆偉1葉 東1吳 凡1董 鵬2侯誼飛2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱150001；2. 首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

針對(duì)微小衛(wèi)星輕量化設(shè)計(jì)的需求與3D打印技術(shù)相結(jié)合，對(duì)某微小衛(wèi)星推進(jìn)劑系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鈦合金小型貯箱的快速研制，大大縮短了方案驗(yàn)證試驗(yàn)周期，對(duì)其它航天飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的快速研制驗(yàn)證具有良好的示范作用。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；3D打??；推進(jìn)系統(tǒng)；輕質(zhì)化設(shè)計(jì)

1 引言

隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)微小衛(wèi)星的需求越來越大。由于微小衛(wèi)星具有體積小、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化程度高、研發(fā)周期短以及發(fā)射成本低的特點(diǎn)，使得微小衛(wèi)星成為政府機(jī)構(gòu)及高校開展前沿技術(shù)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域，發(fā)展速度持續(xù)增長(zhǎng)。2015年6月，美國(guó)北方天空研究所（NSR）咨詢公司發(fā)布其第二版《微納衛(wèi)星市場(chǎng)報(bào)告》，預(yù)測(cè)未來10年內(nèi)全球發(fā)射100kg以下的微納衛(wèi)星將會(huì)超過2500顆[1]。

實(shí)現(xiàn)輕量化對(duì)提高小衛(wèi)星的有效載荷，拓展實(shí)用功能意義重大。在大多數(shù)微小衛(wèi)星中，推進(jìn)系統(tǒng)占衛(wèi)星總質(zhì)量的30%以上，因此實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑系統(tǒng)的輕量化具有舉足輕重的作用。

某型號(hào)微小衛(wèi)星的冷氣推進(jìn)系統(tǒng)采用貯箱?氣容?推進(jìn)器的組成方式，液體推進(jìn)劑從貯箱被擠出，進(jìn)入氣容并進(jìn)行液?氣轉(zhuǎn)換，氣體進(jìn)入4個(gè)推力室以一定速度噴出，形成反作用推力作用于衛(wèi)星。為了滿足在有限空間內(nèi)的減重需求，在保證系統(tǒng)足夠安全系數(shù)的情況下，推進(jìn)系統(tǒng)貯箱采用鈦合金材料，對(duì)某型號(hào)微小衛(wèi)星冷氣推進(jìn)劑系統(tǒng)的主要零部件進(jìn)行了以輕量化為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3D打印技術(shù)是最近幾年迅速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，其主要特點(diǎn)是適合難加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速研制，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在一臺(tái)設(shè)備上完成零件90%以上的加工過程，通過對(duì)零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)修改優(yōu)化從而實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的快速響應(yīng)[2]。3D打印技術(shù)對(duì)切削性能差的難加工金屬材料（如鈦合金、高溫合金）有很好的適用性，尤其對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形制造更具優(yōu)越性。零件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)越明顯。因此，3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域空間飛行器姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越多。

根據(jù)微小衛(wèi)星在滿足強(qiáng)度足夠的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化的需求，結(jié)合3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，本文對(duì)衛(wèi)星的冷氣推進(jìn)劑系統(tǒng)中TC4鈦合金小貯箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并采用激光選區(qū)熔化制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的快速研制。通過系統(tǒng)試驗(yàn)滿足了使用要求，達(dá)到了輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

2 微小衛(wèi)星推進(jìn)劑系統(tǒng)小型貯箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

微小衛(wèi)星冷氣推進(jìn)劑系統(tǒng)中，貯箱的質(zhì)量和體積占整個(gè)系統(tǒng)的30%以上，因此成為推進(jìn)劑系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)的主要優(yōu)化對(duì)象。貯箱一般采用圓柱狀壓力容器罐，但是圓柱型容器的缺點(diǎn)是空間利用率較低，燃料填充率低，不符合微小衛(wèi)星有限體積裝載的要求。另一方面，應(yīng)用微小衛(wèi)星的冷氣推進(jìn)劑系統(tǒng)，往往使用液體燃料（本型號(hào)衛(wèi)星使用氟利昂）作為推進(jìn)劑，對(duì)應(yīng)的貯箱壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以高壓氮?dú)鉃橥七M(jìn)劑的推進(jìn)劑系統(tǒng)。因此其外部構(gòu)型可與小型航天器的設(shè)計(jì)相適應(yīng)。貯箱的大小則可根據(jù)任務(wù)要求調(diào)整。因此本型號(hào)衛(wèi)星選擇棱形貯箱。為了使貯箱在滿足強(qiáng)度要求的情況下盡量達(dá)到輕量化目的，對(duì)貯箱的壁厚進(jìn)行優(yōu)選，并對(duì)殼體壁面的加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

推進(jìn)劑貯箱是在推進(jìn)系統(tǒng)中起到重要作用，用于儲(chǔ)存并提供推進(jìn)所需的全部推進(jìn)劑。某型號(hào)衛(wèi)星采用氟利昂作為推進(jìn)劑，假設(shè)推進(jìn)劑裝載量為貯箱可填充容積80%。貯箱的工作環(huán)境為外部壓力接近真空（0MPa），內(nèi)部承受均勻內(nèi)壓0.96MPa。貯箱材料為鈦合金TC4，經(jīng)過熱處理的材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示。TC4材料在局部所受應(yīng)力超越屈服極限時(shí)發(fā)生塑性變形，材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系呈非線性關(guān)系。在分析過程中使用雙線性等向強(qiáng)化（BISO）表現(xiàn)材料的非線性特性。在該工作條件下對(duì)不同壁厚的貯箱進(jìn)行非線性靜力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 鈦合金TC4材料力學(xué)參數(shù)

表2 不同壁厚貯箱力學(xué)分析結(jié)果

圖1 壁厚0.8mm貯箱應(yīng)力分布云圖

圖2 壁厚1.0mm貯箱應(yīng)力分布云

從分析結(jié)果可以看出，在貯箱的4個(gè)安裝耳螺栓固定、推進(jìn)劑出口焊接固定的情況下，相同的工作壓力，貯箱所受應(yīng)力最大值變化隨壁厚減小而基本成反比，即壁厚越小，對(duì)應(yīng)處所受應(yīng)力最大值越大；同理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全系數(shù)變化隨壁厚減小而基本成正比，即壁厚越小，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全系數(shù)越小，這與容器設(shè)計(jì)理論相一致。如圖1所示，當(dāng)壁厚達(dá)到0.8mm時(shí)，貯箱局部應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度產(chǎn)生塑性變形?？紤]到強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要保留安全余量以防止貯箱在偶然情況下局部受到?jīng)_擊造成結(jié)構(gòu)破壞，貯箱取壁厚1.0～1.2mm較為合適，如圖2所示。貯箱受到內(nèi)部均勻壓力作用會(huì)向外鼓起產(chǎn)生形變，最大應(yīng)力及形變集中在貯箱面中心與加強(qiáng)筋連接處，其他面所受應(yīng)力則遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。因此，需要對(duì)貯箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)應(yīng)力大（薄弱區(qū)域）的部位做局部加厚處理或添加加強(qiáng)筋，對(duì)應(yīng)力小的部位做減重處理，對(duì)應(yīng)力集中部位做加厚、倒圓角或圓滑過渡處理，以此優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[3]。加強(qiáng)筋與貯箱壁面全部以圓角過渡連接，防止連接處直角過渡應(yīng)力集中。對(duì)貯箱拐角及應(yīng)力集中的部位進(jìn)行局部加強(qiáng)筋加寬處理，并優(yōu)化圓角弧度，使加強(qiáng)筋交叉部位平緩過渡。對(duì)于應(yīng)力、形變均較小的貯箱側(cè)壁面，則取消加強(qiáng)筋布置，減輕貯箱質(zhì)量。優(yōu)化前及優(yōu)化后的貯箱結(jié)構(gòu)分別如圖3a和圖3b所示。對(duì)加強(qiáng)筋優(yōu)化前后的貯箱進(jìn)行非線性靜力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

a 優(yōu)化前???? b 優(yōu)化后

表3 1.0mm壁厚貯箱加強(qiáng)筋改良前后力學(xué)分析結(jié)果

圖4 加強(qiáng)筋優(yōu)化前貯箱應(yīng)力分布云圖

圖5 加強(qiáng)筋優(yōu)化后貯箱應(yīng)力分布云圖

從分析結(jié)果可以看出，加強(qiáng)筋優(yōu)化后貯箱所受最大應(yīng)力（圖片左側(cè)云圖標(biāo)尺顯示最大值）由741.01MPa減小到557.37MPa，最大形變量由優(yōu)化前0.8184mm減小到0.7017mm，結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)（屈服應(yīng)力與安全應(yīng)力的比值）顯著提高。對(duì)比圖4與圖5可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后貯箱整體的應(yīng)力狀態(tài)分布比較均勻，較少出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，滿足壓力容器等應(yīng)力的設(shè)計(jì)思想。在保證貯箱內(nèi)容積不減少的情況下，貯箱整體質(zhì)量較優(yōu)化前減小11.28%，符合輕量化設(shè)計(jì)思想。

3 鈦合金小貯箱激光選區(qū)熔化制造技術(shù)

激光選區(qū)熔化制造（Selective Laser Melting，簡(jiǎn)稱SLM）技術(shù)的基本原理是對(duì)零件的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片成預(yù)定的橫截面平面圖形。在計(jì)算機(jī)控制下，高能量密度的激光束通過高速掃描振鏡按分層切片預(yù)定的橫截面平面圖形軌跡，逐層高溫熔化預(yù)鋪的金屬粉末薄層，直到最后逐層熔凝堆積出與構(gòu)件CAD模型一致的三維零件，基本原理如圖6所示。

圖6 激光選區(qū)熔化制造技術(shù)原理示意圖

SLM技術(shù)有以下特點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化制造，尤其適合難加工材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的研制生產(chǎn)；可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜及薄壁結(jié)構(gòu)件的快速制造，制造精度一般在0.05mm左右；適合“設(shè)計(jì)?工藝?制造”的有效協(xié)同、響應(yīng)速度快。

SLM也是目前發(fā)展應(yīng)用最快的3D打印技術(shù)之一。由于微小衛(wèi)星鈦合金推進(jìn)劑貯箱的體積較小，箱體壁薄，且表面設(shè)計(jì)添加了加強(qiáng)筋，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。因此結(jié)合貯箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，SLM技術(shù)非常適合推進(jìn)劑貯箱的快速制造。

3.1 TC4鈦合金SLM與力學(xué)性能適配性研究

a. 試驗(yàn)設(shè)備：德國(guó)Concept Laser M2型SLM設(shè)備。

b. 試驗(yàn)粉末：TC4鈦合金。

c. 氣氛保護(hù)要求：Ar氣純度99.99%，O2含量≤200PPm。

d. 試驗(yàn)基板：TC4鈦合金。

e. TC4鈦合金SLM工藝

預(yù)置工藝參數(shù)：激光功率、掃描速度、掃描間距、分層厚度、層間相位角、線能量密度、掃描方式（輪廓掃描+島形掃描）。

f. TC4鈦合金SLM力學(xué)性能

對(duì)預(yù)置參數(shù)范圍內(nèi)的SLM工藝規(guī)范進(jìn)行系列TC4鈦合金試樣試驗(yàn)，并經(jīng)過工藝優(yōu)化后可以得到TC4鈦合金SLM的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度b為1310～1330MPa；屈服強(qiáng)度0.2為1120～1180MPa；延伸率為5%～7%。

g. SLM制造態(tài)TC4鈦合金熱處理力學(xué)性能

SLM的TC4鈦合金力學(xué)性能特點(diǎn)強(qiáng)韌性失配，即強(qiáng)度高、塑性低，因此需要熱處理，對(duì)強(qiáng)、韌性進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)控。熱處理工藝：850℃、保溫2h、爐冷。熱處理后的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度b≥895MPa；屈服強(qiáng)度0.2≥825MPa；延伸率≥10%。

3.2 TC4鈦合金小貯箱的SLM工藝設(shè)計(jì)

微小衛(wèi)星的小貯箱是典型的鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)，為了避免出現(xiàn)變形大甚至開裂情況發(fā)生，同時(shí)要保持比較高的制造精度，需要針對(duì)薄壁件SLM制造時(shí)的熱應(yīng)力分布因素進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

3.2.1 小貯箱三維實(shí)體模型的格式轉(zhuǎn)換

綜合考慮小貯箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及較高的尺寸精度等要求，結(jié)合德國(guó)Concept Laser M2型SLM設(shè)備的系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)包，將小貯箱三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為STL文件格式，擬選取弦高0.06mm，如圖7所示。

圖7 模型格式轉(zhuǎn)換

3.2.2 小貯箱SLM的輔助支撐設(shè)計(jì)

對(duì)于小貯箱的鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)，為了避免出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力集中導(dǎo)致的變形大甚至開裂情況，需要對(duì)待加工零件開孔處及底面添加輔助支撐。零件擺放角度與加工平臺(tái)呈45°夾角放置。在實(shí)體輔助支撐、網(wǎng)格輔助支撐方式中，擬選用網(wǎng)格型輔助支撐，以有效緩解熱應(yīng)力積累，如圖8所示。

圖8 貯箱網(wǎng)格型輔助支撐添加效果圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 TC4鈦合金小貯箱的SLM整體制造

按照上述設(shè)計(jì)的鈦合金小貯箱SLM制造工藝規(guī)范，在SLM設(shè)備上進(jìn)行實(shí)體零件的制造，SLM制造過程僅需數(shù)個(gè)小時(shí)。制造后對(duì)零件進(jìn)行熱處理，3D整體打印的小貯箱實(shí)物，如圖9所示。

圖9 SLM整體制造的鈦合金小貯箱實(shí)物

4.2 TC4鈦合金小貯箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的貯箱進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，在維持24℃恒溫條件下向3D打印制造成型的貯箱注入高壓氟利昂液體，貯箱外部未出現(xiàn)裂痕，且貯箱表面由于內(nèi)部壓力造成的變形凸起在理論分析允許的范圍內(nèi)。下一步將繼續(xù)進(jìn)行貯箱的振動(dòng)分析試驗(yàn)，以檢驗(yàn)貯箱在受到動(dòng)載荷時(shí)不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)頻率接近固有頻率發(fā)生共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的形變，承受較大的動(dòng)應(yīng)力。

通過SLM整體制造的貯箱所需制造時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)械加工所需的加工時(shí)間，說明SLM制造技術(shù)非常適用于在衛(wèi)星等航天器上復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行快速制造以達(dá)到快速驗(yàn)證的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)微小衛(wèi)星輕量化設(shè)計(jì)的需求，考慮到推進(jìn)器系統(tǒng)的組成零部件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的特型，利用3D打印技術(shù)恰恰能夠滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁件的快速研制，對(duì)某微小衛(wèi)星推進(jìn)劑系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后的微型貯箱結(jié)合3D打印技術(shù)的快速制造，可以對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行快速驗(yàn)證，大大縮短了微小衛(wèi)星冷氣推進(jìn)劑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的研究試驗(yàn)周期，對(duì)3D打印技術(shù)應(yīng)用于其它航天飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的快速研制起到良好的示范作用。

1 張召才. 國(guó)外甚小衛(wèi)星發(fā)展研究[J]. 國(guó)際太空，2015(10)：29～33

2 吳復(fù)堯，劉黎明，許沂，等. 3D打印技術(shù)在國(guó)外航空航天領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]. 飛航導(dǎo)彈，2013(12)：10～15

3 李玉峰，靳慶臣，劉志棟，等. 基于ANSYS的衛(wèi)星推進(jìn)劑貯箱有限元分析[J]. 航天制造技術(shù)，2013(6)：10～15

Optimization Design of Micro Satellite Propellant System Based on 3D Printing

Chen Xin1Sun Zhaowei1Ye Dong1Wu Fan1Dong Peng2Hou Yifei2

(1. School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Beijing 100191; 2. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

The configuration of some type of microsatellite propellant system has been optimized, based on the combination of light weight design requirements and 3D print technology in this paper. It can be realized to achieve rapid manufacturing of optimized titanium alloy small tank with 3D print technology, which greatly shortens the development period. It shows the great application demonstration of rapid manufacturing on the other aerospace vehicle structure optimization schemes.

structural optimized design；3D printing；propulsion system；lightweight design

合作項(xiàng)目：中俄聯(lián)合研究生自主研發(fā)阿斯圖納衛(wèi)星項(xiàng)目。

陳欣（1993），碩士，航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2017-08-09