載人密封艙內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

陳 燕，姜 超，施麗銘，梁東平

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

1 引言

航天器密封艙內(nèi)部需要安裝用于在軌支持和空間試驗(yàn)的儀器設(shè)備，還需要為航天員提供工作和生活的場(chǎng)所［1］，所以需要設(shè)計(jì)能夠安裝儀器設(shè)備的內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)。內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)需要具備大承載、輕質(zhì)、通用性好等特點(diǎn)，此外，當(dāng)涉及到人的在軌操作時(shí)，該類結(jié)構(gòu)還需要具備良好的人機(jī)工效［2］。

目前，國(guó)外航天器密封艙內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的主要形式有以下兩種：

1）金屬框架結(jié)構(gòu)［3］：框架式結(jié)構(gòu)采用金屬梁系裝配而成，具有良好的承載性能。但結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，只適用于安裝質(zhì)量較大的集中載荷；密封艙內(nèi)部?jī)x器設(shè)備多且布局分散，框架式結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差。另外，框架式結(jié)構(gòu)中的儀器設(shè)備暴露在密封艙內(nèi)，美觀性差，也不利于人在艙內(nèi)的生活和活動(dòng)，而且人生活產(chǎn)生的污染物直接與儀器設(shè)備接觸，易對(duì)儀器設(shè)備造成影響。

2）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜結(jié)構(gòu)［4-5］：機(jī)柜通常采用機(jī)電熱一體化、模塊式設(shè)計(jì)，儀器設(shè)備安裝在機(jī)柜的“抽屜”里。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜結(jié)構(gòu)將儀器設(shè)備安裝在機(jī)柜內(nèi)部，避免儀器設(shè)備直接暴露在艙內(nèi)生活環(huán)境中，還具有在軌可翻轉(zhuǎn)維修的優(yōu)點(diǎn)；但這種安裝方式要解決機(jī)電熱之間的接口匹配問(wèn)題，接口設(shè)計(jì)復(fù)雜，技術(shù)難度較高，此外結(jié)構(gòu)重量也較大。

本文提出一種新型內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)搭接在密封艙殼體內(nèi)壁，形成封閉的板式框架，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，傳力路徑短，受力合理，封閉空間可避免儀器設(shè)備直接暴露在密封艙的生活空間內(nèi)；蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)重量輕且儀器設(shè)備的接口在板上可任意布局，適宜于安裝分散設(shè)備［6］；結(jié)構(gòu)件之間的連接設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)化接口，以使結(jié)構(gòu)具備通用性；另外，通過(guò)快拆和合頁(yè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以解決內(nèi)部?jī)x器設(shè)備需要在軌快速維修的難題。

2 設(shè)計(jì)約束

載人密封艙結(jié)構(gòu)為薄壁回旋殼體結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，密封艙內(nèi)需要安裝大量的儀器設(shè)備和設(shè)施，所以需要設(shè)計(jì)內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)，提供安裝空間。

圖1 典型載人密封艙結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of manned capsule

載人密封艙內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)通常有多項(xiàng)設(shè)計(jì)約束條件，以某航天器密封艙為例，內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)需滿足強(qiáng)度和剛度要求外，還需滿足以下設(shè)計(jì)約束：

1）大承載：能安裝承載≥5500 kg的載荷設(shè)備。

2）輕質(zhì)：內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)重量≤750 kg。

3）可維修性：具備支持設(shè)備在軌維修的功能，使得安裝的儀器設(shè)備航天員快速可達(dá)，實(shí)現(xiàn)快速維修或更換，以滿足長(zhǎng)壽命要求。

4）結(jié)構(gòu)通用性：結(jié)構(gòu)形式要簡(jiǎn)單、接口要通用化通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)改變，可適用于不同尺寸的密封艙。

3 內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

密封艙為整體壁板式圓柱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)由框和壁板焊接而成［7］。力流連續(xù)性原理和最直接、最短路徑傳力原理是結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)考慮的最主要原則［8］。為了充分利用艙內(nèi)空間并提高結(jié)構(gòu)使用效率，內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)沿艙體內(nèi)壁周邊布局，載荷可直接傳遞到框上，傳力路徑短、結(jié)構(gòu)效率高，共分為四個(gè)象限，四個(gè)象限結(jié)構(gòu)形式相同，如圖2所示。每個(gè)象限由多塊蜂窩夾層板搭接組成板式框架，具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、承載大、設(shè)備可靈活布局、安裝空間大的特點(diǎn)；板式框架形成多個(gè)封閉空間，避免了儀器設(shè)備直接暴露在艙內(nèi)，密封艙內(nèi)部形成了美觀、安全的生活通道；蜂窩夾層板與艙體之間、板與板之間的接口均為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，蜂窩夾層板尺寸可變，適用于不同尺寸的密封艙。

圖2 載人密封艙內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)構(gòu)型Fig.2 Internal structure configuration of manned capsule

每個(gè)象限如圖3所示，由若干個(gè)水平板、中間立板、側(cè)立板、蓋板和立梁組成；其中，多個(gè)水平板并行排列，安裝在密封艙的框上；相鄰兩個(gè)水平板與中間立板和側(cè)立板相連接，中間立板將兩層之間的空間平分成兩個(gè)空間單元，每個(gè)空間單元正面連接有蓋板，結(jié)構(gòu)板之間通過(guò)連接角條實(shí)現(xiàn)連接。

為了增加內(nèi)部結(jié)構(gòu)剛度并傳遞載荷，中間立板和側(cè)立板靠近艙壁一側(cè)連接了立梁，立梁與密封艙殼體的框相連接。

圖3 單個(gè)象限的內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)構(gòu)型Fig.3 Internal structure configuration of a single quadrant

水平板設(shè)備軸向載荷大部分通過(guò)側(cè)立板和中間立板的面內(nèi)剪傳遞到靠艙壁側(cè)的立梁上，然后通過(guò)立梁與框的接口以集中載荷的形式傳遞到框上，另一部分載荷直接通過(guò)水平板與框的接口傳遞到框上；水平板設(shè)備橫向載荷大部分通過(guò)水平板面內(nèi)剪傳遞到框上，另一部分通過(guò)側(cè)立板和中間立板的立梁傳遞到框上；立板設(shè)備載荷主要通過(guò)立板面內(nèi)剪傳遞到立梁上，然后通過(guò)立梁與框的接口以集中載荷的形式傳遞到框上；另外上拉桿起到輔助傳遞縱向載荷的作用，將載荷傳遞到上端框上。所有傳遞到框上的載荷最后通過(guò)艙壁傳遞到后連接框上。

3.2 蓋板翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

艙內(nèi)儀器設(shè)備存在維修和更換的可能，由于儀器設(shè)備都安裝在板式封閉框架內(nèi)，為了支持儀器設(shè)備的維修，蓋板在軌需具備快速翻轉(zhuǎn)打開(kāi)的功能。

蓋板和其它結(jié)構(gòu)板通過(guò)連接角條和螺釘連接，為了抵抗主動(dòng)段發(fā)射載荷，連接螺釘較多，如果在軌操作和維修需要每次將所有蓋板的連接螺釘和蓋板拆卸，將會(huì)導(dǎo)致操作復(fù)雜困難，所以在蓋板上設(shè)計(jì)了合頁(yè)和快拆組件。航天器入軌后，將所有的角條連接螺釘拆除，通過(guò)快拆組件可實(shí)現(xiàn)蓋板的快速固定和解鎖，通過(guò)與水平板連接的合頁(yè)可實(shí)現(xiàn)蓋板的開(kāi)合和翻轉(zhuǎn)，如圖4所示。

3.3 快拆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的快拆組件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5?？觳鹕仙w和快拆下蓋將快拆組件的其它零件封裝在內(nèi)。快拆上蓋與蓋板通過(guò)螺釘連接，水平板靠近側(cè)邊設(shè)計(jì)有盲孔。在軌通過(guò)內(nèi)六角拐脖扳手轉(zhuǎn)動(dòng)快拆結(jié)構(gòu)上的六角孔，使得齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪和齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)齒條的直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)齒條的圓柱端頭進(jìn)入到水平板的孔中后，實(shí)現(xiàn)蓋板的鎖緊；當(dāng)需要維修時(shí)，反轉(zhuǎn)齒輪結(jié)構(gòu)，齒條的圓柱端頭退出水平板，實(shí)現(xiàn)蓋板的解鎖?？觳鸢惭b方式見(jiàn)圖6。

圖4 蓋板翻轉(zhuǎn)示意圖Fig.4 Sketch of cover plate’s flip

圖5 快拆結(jié)構(gòu)Fig.5 Fast disassembly structure

圖6 快拆結(jié)構(gòu)安裝示意圖Fig.6 Sketch of fast disassembly structure’s installation

3.4 合頁(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)蓋板的開(kāi)合和翻轉(zhuǎn)，在蓋板和水平板之間設(shè)計(jì)了如圖7所示的合頁(yè)。合頁(yè)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)頁(yè)片和一個(gè)轉(zhuǎn)軸，兩個(gè)頁(yè)片分別與蓋板和水平板連接，頁(yè)片可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)蓋板的翻轉(zhuǎn)。

圖7 合頁(yè)結(jié)構(gòu)Fig.7 Hinge structure

4 密封艙內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)仿真分析

仿真分析的有限元模型通過(guò)MSC／Patran軟件建立，通過(guò)MSC／Nastran軟件進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)板采用殼單元建模，拉桿、立梁采用梁?jiǎn)卧?，結(jié)構(gòu)板蒙皮采用鋁合金材料（彈性模量70 GPa、泊松比0.3、密度2700 kg／m3、屈服強(qiáng)度 260 MPa），立梁采用碳纖維復(fù)合材料（縱向拉伸模量320 GPa、橫向拉伸模量6.3 GPa、剪切模量4.1 GPa、泊松比0.3、密度2700 kg／m3），儀器設(shè)備的重量共 5500 kg，根據(jù)布局通過(guò)非結(jié)構(gòu)質(zhì)量賦到結(jié)構(gòu)板上。將密封艙殼體結(jié)構(gòu)作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的邊界條件，分析時(shí)約束密封艙后連接框連接點(diǎn)的6個(gè)自由度為0，包括X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)約束密封艙上端框Y、Z兩個(gè)方向水平自由度為0。

4.1 模態(tài)分析

對(duì)密封艙內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)剛度，模態(tài)分析結(jié)果顯示：水平板縱向基頻為34 Hz，振型見(jiàn)圖8。立板基頻約為29 Hz，振型見(jiàn)圖9，內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的基頻不與整器基頻發(fā)生耦合，滿足剛度設(shè)計(jì)要求。

4.2 靜力分析

根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件確定出內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的靜力分析工況。分析結(jié)果顯示：水平板最大應(yīng)力出現(xiàn)在II象限第三層與中間立板連接點(diǎn)區(qū)域，為126 MPa，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10。立板最大應(yīng)力出現(xiàn)在II象限與第二層水平板連接位置靠近艙壁側(cè)的角點(diǎn)區(qū)域，為190 MPa，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖11。其余結(jié)構(gòu)板應(yīng)力水平較低，所有結(jié)構(gòu)板最小安全裕度大于0，均滿足強(qiáng)度要求。

圖8 水平板一階振型（34 Hz）Fig.8 First modal of horizontal plate（34 Hz）

圖9 立板一階振型（29 Hz）Fig.9 First modal of vertical plate（34 Hz）

圖10 水平板應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud map of horizontal plate

圖11 立板應(yīng)力云圖Fig.11 Stress cloud map of vertical plate

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

內(nèi)部結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造完成后，結(jié)構(gòu)重量為736 kg，小于750 kg的重量指標(biāo)。為了鑒定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承力能力，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行了鑒定級(jí)靜力試驗(yàn)，如圖12所示，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝在密封艙殼體內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)，艙體垂直停放，后連接框固定在試驗(yàn)基座上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)每塊蜂窩夾層板都設(shè)置加載板，載荷通過(guò)加載板施加在結(jié)構(gòu)上，水平板的加載板安裝在每層板的上部，中間立板和側(cè)立面加載工裝安裝在板側(cè)面。由于蓋板是非主承載部件，另外如果安裝蓋板，加載工裝安裝困難，所以靜力試驗(yàn)中蓋板不安裝，使用模擬工裝對(duì)蓋板進(jìn)行模擬。

圖12 內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)過(guò)程Fig.12 Static test process of internal structure

靜力試驗(yàn)的加載載荷為鑒定級(jí)載荷。測(cè)得典型測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變-載荷曲線如圖13所示，應(yīng)變曲線線性好，回零狀態(tài)良好。

圖13 典型測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨載荷變化曲線Fig.13 Curve of strain variation with load fluctuation in typical measuring point

鑒定級(jí)載荷作用下中間立板和側(cè)立板應(yīng)力水平較高，最大應(yīng)力出現(xiàn)在II象限中間立板與第二層水平板連接位置靠近艙壁側(cè)的角點(diǎn)區(qū)域，最大應(yīng)變值約為－2461.3 με，對(duì)應(yīng)Von Mises應(yīng)力約為198 MPa，沒(méi)有達(dá)到鋁蜂窩蒙皮材料2A12的最大屈服應(yīng)力260 MPa［1］，卸載后的殘余應(yīng)變約為40 με。

將靜力試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析對(duì)比得出：所有結(jié)構(gòu)板的應(yīng)力分布以及應(yīng)力水平試驗(yàn)值與分析值基本一致，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在II象限中間立板同一區(qū)域且應(yīng)力值接近。

通過(guò)對(duì)靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性度、回零情況分析得出：試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，試驗(yàn)加載合理，內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)順利通過(guò)鑒定級(jí)試驗(yàn)考核。

6 結(jié)論

本文提出一種新型載人密封艙內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)該結(jié)構(gòu)的模態(tài)和靜力進(jìn)行的仿真分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度和剛度要求。將內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝在密封艙殼體內(nèi)進(jìn)行了鑒定級(jí)靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能承受鑒定級(jí)靜力載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。仿真分析和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：內(nèi)部設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的中間立板和側(cè)立板承載較大、應(yīng)力水平較高，最下層立板由于承載最大，所以應(yīng)力水平最高，可對(duì)其做特殊的加強(qiáng)參數(shù)設(shè)計(jì)，立板與水平板連接孔靠近艙壁側(cè)的局部埋件可做加強(qiáng)設(shè)計(jì)。