空间实验室半刚性太阳电池阵展开机构设计及热—结构耦合分析

摘要

热荷载是太空环境中的主要荷载,轨道上的航天器结构要长期经受太阳、行星和空间低温的交替影响,航天器大型外悬挂件可能会出现热诱导振动,一方面加重了轨道姿态控制系统的负担,另一方面还可能导致不稳定振动,对于展开长度达20m的杆状展开机构和大面积半刚性太阳电池阵来说,进行热-结构耦合分析显得尤为重要.由于目前在地面模拟空间热真空环境的试验费用仍然十分昂贵,另外随着太阳电池阵尺寸越来越大,进行全尺寸模型的地面模拟试验也越来越困难.因此,准确地预测出杆状展开机构、大面积太阳电池阵的在轨温度场、热变形对于整个结构的热设计和结构设计均具有重要意义.首先,对用于半刚性太阳电池阵的杆状构架式展开机构进行了设计分析,对展开长度为20m的铰接式和盘绕式两种展开机构进行了机构设计,包括机构关键技术设计,解决了铰接式展开机构的展开/锁定技术、盘绕式展开机构材料技术等关键技术,研制出了两种可缩回杆状构架式展开机构原理样机,展开和收拢试验结果表明机构设计是合理可行的.其次,对杆状展开机构和半刚性太阳电池阵进行了热-结构耦合分析.因采取热控措施后,机构的温度不是很高,所以暂时不考虑材料非线性问题,也不考虑大变形引起的几何刚度矩阵对位移产生的影响,即按小变形理论进行热-结构耦合分析.由于飞行器所处的太空环境近为真空,所以分析中忽略了空气对流换热,主要考虑热传导和热辐射两种热量传递方式,分析了轨道上的太阳辐射热、地球反射太阳热、地球红外辐射热等热流的影响,以及地球阴影、机构本身阴影(如收藏箱等)的遮挡影响.分别对20m长的铰接式、盘绕式两种杆状展开机构以及空间实验室半刚性太阳电池阵进行了在轨运行两个周期的温度场分析,同时进行了热变形和热应力分析,并对展开机构的设计给出了相关建议.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题来源

1.2主要研究内容

第二章杆状构架式展开机构方案论证

2.1概述

2.2国内外研究现状及发展趋势

2.3方案论证

第三章铰接式杆状展开机构设计

3.1铰接式展开机构组成

3.1.1三角形截面可折叠桁架

3.1.2收藏箱

3.1.3动力传动装置

3.1.4展开器

3.2展开机构的工作原理

3.3小结

第四章盘绕式杆状展开机构设计

4.1盘绕式展开机构组成

4.1.1盘绕式格状梁

4.1.2贮藏箱

4.1.3驱动系统

4.2展开机构的工作原理

4.3小结

第五章热—结构耦合分析原理

5.1热—结构耦合问题的分类

5.2飞行器在轨热平衡关系

5.3热荷载分析

5.3.1吸收的太阳辐射热

5.3.2吸收的地球辐射热

5.3.3 吸收的地球反射热

5.3.4吸收的总热量

5.4温度场计算原理

5.5热变形、热应力计算原理

5.6轨道参数

第六章铰接式展开机构的热-结构耦合分析

6.1结构模型

6.2有限元离散

6.3热荷载

6.4铰接式展开机构的温度场分析

6.5展开机构的热变形、热应力分析

第七章盘绕式展开机构的热-结构耦合分析

7.1结构模型

7.2有限元离散

7.3热荷载

7.4盘绕式展开机构的温度场分析

7.5盘绕式展开机构的热变形、热应力分析

第八章空间实验室半刚性太阳电池阵热—结构耦合分析

8.1空间站太阳电池阵的力学与热学模型

8.2有限元离散

8.3热荷载边界条件

8.4空间站半刚性太阳电池阵的温度场分析

8.5半刚性太阳电池阵的热变形、热应力分析

第九章总结

9.1结论

9.1.1杆状展开机构设计

9.1.2杆状展开机构的热—结构耦合分析结论

9.1.3半刚性太阳电池阵的热—结构耦合分析结论

9.2下一步工作

参考文献

博士后期间参与完成的课题及研究工作

致谢