一种高有效载荷质量占比的大中型多层空间实验装置及安装方法

摘要

本发明属于空间实验装置结构设计技术领域，针对现有空间科学载荷设计中存在的技术问题，本发明公开了一种高有效载荷质量占比的多层空间实验装置与安装方法，前立板与底板通过底部连接为L形结构，下框架、中层板和上框架从下而上连接为一体，下框架与底板连接，上框架前端与前立板内侧连接，前部通风结构的底部安装在底板前端，前部通风结构的上部与前立板外侧连接，凹口形蒙皮呈包围形式与前立板、底板上部、下框架、上框架连接，上盖板从上方与凹口形蒙皮、前立板、上框架连接。实现多样化功能和结构整体化与紧凑化设计，是一种高载荷结构质量比、紧凑型模块化分区、便于组装调试、强度可靠、迭代迅速、成本低的多层空间实验装置。

说明书

技术领域

本发明属于空间实验装置结构设计技术领域，具体涉及一种高有效载荷质量占比的大中型多层空间实验装置与安装方法。

背景技术

航天活动的蓬勃发展，必将催生大量的空间科学/技术试验机会，随之而来的伴生大量空间科学载荷的研制任务，当前国家空间实验要求越来越工程化，对功耗、机械等的余量越来越小，研制周期越来越短，在高安全性、高可靠性、快速迭代的任务要求下，需要开展模块化设计，通过把航天载荷分解成若干个独立的功能模块，每个模块物理独立、功能独立，采用标准的机械、电、热及数据接口对各模块进行连接，实现航天载荷的整体功能。模块化的航天载荷结构应该是一种更紧凑和轻量化的结构，其装配、集成和测试更快速，而且现有设计能便于重复使用。

机械结构是航天载荷的重要组成部分和基础，承担着承受内外加载、提供载荷内外安装接口和提供构型等功能，要求其在任务剖面各种力、热环境作用下保持一定刚度和尺寸稳定性，不仅能够承受极端的发射环境而不发生破坏和有害变形，还要在轨运行时具有要求的位置和指向精度，以保证其上的有效载荷按照指标能正常工作。

对航天载荷结构来说，其主要的性能指标包括质量、刚度和精度，随着我国航天探测以及空间科学等领域的发展，对高承载、轻量化和高精度结构提出更高的要求。目前我国使用的典型的航天器结构形式包括壳体结构、板结构、构架结构、支架结构、连接结构和可展结构，在航天器中已经有较为成熟的应用，而在航天载荷尤其是科学载荷的结构设计中，由于是单体化设计，主要采用外部厚板抠筋后拼接、内部局部支架的形式，单体化拼凑痕迹重，结构重量和有效载荷质量比很大，增加了发射成本；而且内部载荷一体化比较差，不容易结构保持均一化变形从而导致相对误差增大；此外，非模块化的设计，对于多家承研单位分开调试也是一种奢望；最后，部分结构直接安装在外板上，使得调试时空间开放度不够，操作空间小从而不利于进行局部的修改校正。

现有空间科学载荷研制中，基本没有兼顾技术性和经济性的先例，因此，如果对于科学载荷研制的结构进行一种结构紧凑、高载荷结构质量比、模块化分区、便于调试、强度可靠、迭代迅速、成本低的结构设计和安装的有益探索，应用于未来空间科学载荷结构设计中具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有空间科学载荷设计中存在的技术问题，本发明的目的在于研发一种高有效载荷质量占比的多层空间实验装置，具体为一种高载荷结构质量比、紧凑型模块化分区、便于组装调试、强度可靠、迭代迅速、成本低的多层空间实验装置与安装方法。

本发明采取的技术方案为：

一种高有效载荷质量占比的多层空间实验装置，包括前立板、底板、中层板、上框架、下框架、凹口形蒙皮、前部通风结构、上盖板，

所述前立板与底板通过底部连接为L形结构，下框架、中层板和上框架从下而上连接为一体，从空间上分为上、中、下三层布局，下框架与底板连接，上框架前端与前立板内侧连接，前部通风结构的底部安装在底板前端，前部通风结构的上部与前立板外侧连接，凹口形蒙皮呈包围形式与前立板、底板上部、下框架、上框架连接，上盖板从上方与凹口形蒙皮、前立板、上框架连接，从而组成上中下不同功能分层及外部空间的多层空间实验装置。

进一步的，所述底板和前立板设置为主支撑体，维持整体结构的强度。底板和前立板具有一定的厚度，且采用结构抠筋的加工方式，既用于安装布置其上的实验装置，也做为结构减重设计。

进一步的，所述中层板具有一定的厚度，且采用结构抠筋的加工方式，既用于安装布置其上的实验装置，也做为结构减重设计。中层板通过穿钉与下框架进行连接。

进一步的，所述前立板上方加工电连接器安装孔，下方设置为等间距排布的安装腿，前立板通过安装腿与底板的连接，前立板的外部四周设置为台阶式边沿，通过台阶式边沿与凹口形蒙皮、上盖板连接。

进一步的，所述底板设置为半箱式结构，其四周设置为呈一定高度的裙边，底板通过裙边与凹口形蒙皮连接；所述底板外沿设置为一定数量的安装凸耳，通过凸耳与飞行器进行连接。

进一步的，所述下框架设置为由水平铝型材、竖直铝型材和连接角件组成半封闭的矩形框架结构，下框架底部和前部分别通过连接角件与底板和前立板进行连接。

进一步的，所述上框架设置为由水平铝型材、竖直铝型材和连接角件组成半封闭的矩形框架结构，上框架底部和前部分别通过连接角件与下框架和前立板进行连接。上框架顶部可用于悬垂安装实验装置。

进一步的，所述凹口形蒙皮采用薄板弯成凹口形蒙皮薄板，其上部和其下部分别安装铆接条，通过铆接条分别与前立板左右两侧、底板外沿和上盖板连接；上框架和下框架的所有外侧型材内部安装槽条，通过槽条安装上导电密封条a和下导电密封条b，通过导电密封条分别与凹口形蒙皮薄板、上框架和下框架连接，也可保证整体结构的搭接。

进一步的，所述上铆接条a的上端向上延伸设置有第一凸起，上铆接条a的左端向外延伸设置有第二凸起，第一凸起和第二凸起相连的上侧部形成第一凹槽；上铆接条a的下端向下延伸设置有第三凸起，第二凸起和第三凸起相连的左侧部形成第二凹槽，第三凸起和上铆接条a本体相连的右侧部形成第三凹槽30；

上导电密封条a水平横置嵌设在第一凹槽内，蒙皮薄板的顶端沿着竖直方向嵌设在第二凹槽内；

所述下铆接条b的上端向上延伸设置有上凸起，下铆接条b的下端向外延伸设置有下凸起，上凸起和下凸起的交接处通过水平连接部相连形成侧“Z”字形结构，上凸起和水平连接部相连的上侧部形成第四凹槽，水平连接部和下凸起相连的下侧部形成第五凹槽；

蒙皮薄板的下端和下铆接条b的上凸起外侧相连，下导电密封条b沿着竖直方向嵌设在第五凹槽内；

第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽、第五凹槽的相邻两条边缘之间为直角分布，第三凹槽和第四凹槽相互对应且凹陷深度相同，其外侧边缘连线处于同一水平线上。

进一步的，所述前部通风结构自上而下分别设置有上支架和下支架，通过上支架和下支架安装通风设备，通风设备包括通风换热器和风扇，通风设备外覆金属网，既用于风扇通风，也可保证通风设备内外的电磁屏蔽效果；上支架的顶部设置为拱桥弧形结构，且其上设置通风筛网，上支架的外侧设置有安装凸耳，通过安装凸耳与前立板连接固定。

进一步的，所述上盖板设置为薄板结构，上盖板通过导电密封条与上框架内安装槽条直接连接。

一种基于所述高有效载荷质量占比的多层空间实验装置的安装方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)按照从部件级到模块级的次序安装，即先分别安装底板、中层板和上框架上的科学实验仪器，分别调试；

(2)然后，将前立板与底板连接，将外部通风结构与前立板连接；

(3)再将底板、下框架、中层板和上框架按先后顺序依次相互连接，之后连接各个功能模块之间的必要电、气、液链路；

(4)最后依次安装凹口形蒙皮和上盖板；

(5)需调试和调整功能模块，按照上述步骤的反顺序拆卸即可。

本发明的有益效果为：

本发明针对空间科学载荷的任务剖面和研制过程中的特殊要求，既充分考虑满足发射过程中的复杂力学环境条件和载荷装置研制过程中空间体积和装置重量(如减重要求、快速迭代、结构紧凑、方便调试的)等技术要求，还尽可能降低科学装置研制成本和缩短研制周期，以实现载荷研制综合技术的实现性、可靠性与科研产出、时间节点和经济性之间的综合平衡和效益的最优化，提出了适用于空间科学实验载荷的一种结构紧凑、高载荷结构质量比、模块化分区、强度可靠、成本低的多层功能分区空间的实验装置结构设计与安装方法的新技术。该技术适用于工作在航天器内、含多种功能单元、研制周期短、项目预算较少的大中型复杂空间科学载荷结构设计，其载荷结构构成的空间环境适用性、通用性和优势主要体现在以下方面：

(1)结构强度高：支撑梁、框架和蒙皮组合连接，类似当前大型桥梁、大型建筑物中龙骨和薄皮组合的设计理念，前立板、底板做为主支撑梁，通过与外部风道结构、框架连接，起到互相支撑增加强度的目的，蒙皮间连接加固及咬合或镶嵌，蒙皮通过托板螺母与框架连接，增加整个装置的结构强度。通过动力学设计和模态分析，实验装置的第一阶固有频率大于100Hz，振动、冲击等外部力学载荷施加下的最大应力都小于安全条件下的屈服强度，结构强度满足航天器发射力学振动环境条件要求。

(2)多功能模块化分区：实验装置利用底板、中层板和上框架分割空间，将零散的组部件整合起来，利用有限空间，强化整体结构刚度的同时，成功实现三层不同实验系统安装布局组合，有利于实验装置根据空间布局分割成较为整体化的功能模块，有利于功能和结构的整体化和紧凑化设计。

(3)组装便利和利于调试：模块化的分区和整体化的布局便于内部实验载荷装置的集成安装与维修调式，同时还能便于拆装。方便调试主要体现在两个层次，一是模块化的布局便于各个功能模块分开调试和拆装；二是一旦拆开外口形蒙皮和上盖板，整个实验装置基本完成暴露，从各个方向都有足够的操作空间进行局部部组件的修复或调整。

(4)高载荷结构质量比：型材本身属于比较轻便的材料，另外本实验新型内的蒙皮又是很薄的板材，使得整个装置的纯结构重量大幅减小，从而实现高载荷结构质量比，即可以在总重的限制下，更多地布置科学实验仪器，从而更大化实现科学实验功能。

(5)优良的经济性：结构材料采用商用(通用型号)框架铝型材和铝薄板材，大幅降低了结构材料与加工成本。

综上，本发明为一种适用大中型、复杂系统和大体积空间实验装置的主体结构设计及其安装方法，可以普遍应用于空间卫星、飞船和空间站等实验平台上较复杂的科学研究与技术试验装置的结构设计，同样也可用于地基实验装置。

该实验装置结构设计与载荷安装集成方法成功应用于我国货运飞船空间蒸发与冷凝科学实验装置的设计，成功实现了有效科学实验载荷质量大于76％(40Kg载荷质量/52Kg装置总质量)的支撑梁、板和蒙皮组合高强度实验装置箱体总成结构，在有限空间尺度和重量限制下集成安放了更多的实验系统和科学仪器载荷。在结构重量很好的满足轻量化前提下，其结构本身的高刚度与强度设计经受了飞船发射升空入轨的力学环境，顺利完成了空间各项在轨科学实验。

附图说明

图1为本发明的内部整体结构示意图。

图2为本发明的外部整体结构示意图。

图3为本发明中下框架的结构示意图。

图4为本发明中凹口形蒙皮的局部结构示意图。

图5为本发明中前部通风结构的结构示意图。

图6为本发明中实验装置的力学仿真模型示意图。

图7为本发明中实验装置的振动仿真结果示意图。

其中，1、前立板；2、底板；3、中层板；4、上框架；5、下框架；6、凹口形蒙皮；7、前部通风结构；8、上盖板；9、铝合金型材；10、连接角件；11、槽条；12、隔振垫；13、蒙皮薄板；14、上铆接条a；15、下铆接条b；16、上导电密封条a；17、下导电密封条b；18、上支架；19、安装凸耳；20、下支架；21、通风筛网；22、第一凸起；23、第二凸起；24、第三凸起；25、上凸起；26、下凸起；27、水平连接部；28、第一凹槽；29、第一凹槽；30、第二凹槽；31、第三凹槽；32、第四凹槽；33、第五凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

如图1和图2所示，一种高有效载荷质量占比的大中型多层空间实验装置，由前立板1、底板2、中层板3、上框架4、下框架5、凹口形蒙皮6、前部通风结构7和上盖板8等组成，前立板1与底板2通过底部连接为L形结构，下框架5、中层板3和上框架4从下而上连接为一体。该实验装置安装时，下框架5与底板2连接，上框架4前端与前立板1内侧连接，前部通风结构7安装时，底部安装在底板2前端，上部与前立板1外侧连接，凹口形蒙皮6呈半包围形式与前立板1、底板2上部、下框架5、上框架4连接，上盖板8从上方与凹口形蒙皮6、前立板1、上框架4连接，从而组成一种多功能模块分区、整体化布局的多层空间实验装置结构。

前立板1、底板2做为主支撑梁，与凹口形蒙皮6与上框架4、下框架5组合连接，通过与外部风道结构、框架连接，起到互相支撑增加强度的效果，凹口形蒙皮6间连接加固及咬合或镶嵌，凹口形蒙皮6通过与上框架4、下框架5连接，增加整个装置的结构强度。利用底板2、中层板3和上框架4分割空间，强化整体结构刚度的同时，成功实现内部三层不同实验系统安装和外部设备布局组合，实现多样化功能和结构整体化与紧凑化设计，从而组成一种多功能模块分区、整体布局的结构梁与蒙皮组合体多层空间实验装置结构。

本发明的又一实施例，该空间实验装置其内部从结构上划分为上中下三层布局和外部设备安放空间，其内部安装为框架加蒙皮外围板的整体组装结构，使得该空间实验装置根据空间布局分割成较为整体化的三类功能模块，实现功能和结构的整体化和紧凑化设计。底板2和前立板1做为主支撑体，维持整体结构的强度，通过与外部风道结构7、上框架4和下框架5连接，起到互相支撑增加强度的目的。底板2和前立板1具有一定的厚度，且采用结构抠筋的加工方式，既用于安装布置其上的实验装置，也做为结构减重设计。

本发明的又一实施例，前立板1上方加工电连接器安装孔，用于安装穿板电连接器，实现实验装置内部和外部的电气连接。前立板1下方为等间距的3个安装腿，用于与底板2的连接，前立板1外部四周为台阶式边沿，既用于与凹口形蒙皮6、上盖板8连接，并且此种台阶式边沿为止口设计，有利于保证整个实验装置的电磁屏蔽性能。

本发明的又一实施例，底板2采用半箱式设计，其底部用于安装科学实验模块，底板2四周为一定高度的裙边，该裙边也是台阶式边沿，既用于与凹口形蒙皮6连接，止口设计有利于保证整个实验装置的电磁屏蔽性能。底板2底部最外沿为一定数量的安装凸耳，用于与飞行器进行连接。

本发明的又一实施例，如图3所示，下框架5由水平铝型材9、竖直铝型材9和连接角件10组成半封闭的矩形框架结构。下框架5底部和前部分别通过连接角件与底板2和前立板1进行连接。下框架5层高主要根据所需安装的科学功能模块的最大高度及可操作性进行设计。

与下框架5类似，上框架4由水平铝型材、竖直铝型材和连接角件组成半封闭的矩形框架结构。上框架4底部和前部分别通过连接角件与下框架5和前立板1进行连接。上框架5顶部可用于悬垂安装实验装置以及实验装置内部电缆走线空间。

上框架4和下框架5的所有外侧型材9内部安装槽条11，槽条上安装导电密封条，既用于凹口形蒙皮6与上框架4、下框架5连接，也可保证整体结构的搭接。

本发明的又一实施例，中层板3具有一定的厚度，且采用结构抠筋的加工方式，既用于安装布置其上的实验装置，也做为结构减重设计。中层板3下方放置隔振垫12，通过穿钉与下框架5进行连接，隔振垫12用以中层板3上的科学仪器的整体减震，保证上面科学仪器的相对精度保持一致。

本发明的又一实施例，如图4所示，凹口形蒙皮6采用钣金弯成凹口形蒙皮薄板13，其上部和其下部分别安装上铆接条a14和下铆接条b15，为保证实验装置的整体电磁屏蔽性能，上铆接条a14的上平面和下铆接条b15的内立面均布置导电密封条a16和导电密封条b17。

如图4所示，凹口形蒙皮的具体安装结构：

上铆接条a14设置为“Z”字形结构，上铆接条a14的上端向上延伸设置有第一凸起22，上铆接条a14的左端向外延伸设置有第二凸起23，第一凸起22和第二凸起23相连的上侧部形成第一凹槽28；

上铆接条a14的下端向下延伸设置有第三凸起24，第二凸起23和第三凸起24相连的左侧部形成第二凹槽29，第三凸起24和上铆接条a14本体相连的右侧部形成第三凹槽30；

上导电密封条a16水平横置嵌设在第一凹槽28内，蒙皮薄板13的顶端沿着竖直方向嵌设在第二凹槽29内；

下铆接条b15的上端向上延伸设置有上凸起25，下铆接条b15的下端向外延伸设置有下凸起26，上凸起25和下凸起26的交接处通过水平连接部27相连形成侧“Z”字形结构，上凸起25和水平连接部27相连的上侧部形成第四凹槽31，水平连接部27和下凸起26相连的下侧部形成第五凹槽32；

蒙皮薄板13的下端和下铆接条b15的上凸起25外侧相连，下导电密封条b17沿着竖直方向嵌设在第五凹槽32内。

第一凹槽28、第二凹槽29、第三凹槽30、第四凹槽31、第五凹槽32均设置为“L”型结构，且每个凹槽的相邻两条边缘之间为直角分布，第三凹槽30和第四凹槽31相互对应且凹陷深度相同，其外侧边缘连线处于同一水平线上。

该上铆接条a14和下铆接条b15具有两重作用，上铆接条a14上平面可布置螺纹孔，用于与上盖板8的连接，下铆接条b15外侧可布置通孔与底板2和前立板1进行连接；另外，上铆接条a14和下铆接条b15止口设计有利于保证整个实验装置的电磁屏蔽性能。

本发明的又一实施例，如图5所示，前部通风结构7用于安装通风设备，其结构由上支架18、安装凸耳19、下支架20和通风筛网21组成。上支架18和下支架20作为支撑龙骨，在将通风换热器和风扇安装在支架后，通过安装凸耳19与前立板1进行连接固定，保证整个前部通风结构的结构强度。外覆金属通风筛网21，筛网的厚度不超过0.5mm，既用于风扇通风，风从上支架处筛网进入，从上支架处筛网出，将实验装置内部的多余热量散到箱体外，也可保证通风设备内外的电磁屏蔽效果。

本发明的又一实施例，上盖板8为薄板结构，通过导电密封条a16与上框架内安装槽条直接连接。

一种基于权利要求1-9任意一项所述高有效载荷质量占比的多层空间实验装置的安装方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)按照从部件级到模块级的次序安装，即先分别安装底板2、中层板3和上框架4上的科学实验仪器，分别调试；

(2)然后，将前立板1与底板2连接，将外部通风结构7与前立板1连接；

(3)再将底板2、下框架5、中层板3和上框架4按先后顺序依次相互连接，之后连接各个功能模块之间的必要电、气、液链路；

(4)最后依次安装凹口形蒙皮6和上盖板8；

(5)需调试和调整功能模块，按照上述步骤的反顺序拆卸即可。

综上述可知，本发明的的空间实验装置的机械结构，针对工作在航天器内、含多种功能单元、研制周期短、项目预算较少的空间科学载荷，综合技术实现性、可靠性、科研产出、时间节点和经济性等多方面的考虑，实现了一种结构强度高、高载荷结构质量比、模块化分区、利于调试、成本低的多层空间实验装置结构设计与安装方法。

如图6和图7所示，通过发射试验条件下的仿真分析，可得最大的应力值都小于安全条件下的屈服强度212.5MPa，结构强度满足设计要求。

表1.各试验条件下仿真分析得到的载荷装置最大应力

本项技术方案成功应用于我国载人航天工程首艘货运飞船空间蒸发冷凝科学实验装置的设计，成功实现有效科学实验载荷质量大于76％的支撑梁、板和蒙皮组合高强度实验装置箱体，在结构重量很好的满足轻量化前提下，高结构刚度与强度的设计经受了飞船发射升空入轨的力学环境，顺利完成了空间各项在轨科学实验。

以上所述仅为本发明较佳的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。