[科普中國(guó)]-航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

組成

載人航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是為航天員提供在航天器內(nèi)的生存空間，為各分系統(tǒng)的儀器設(shè)備提供支撐和固定，傳遞和承受在地面、發(fā)射、在軌運(yùn)行和返回狀態(tài)下的所有載荷，完成規(guī)定動(dòng)作，并具有規(guī)定強(qiáng)度和剛度的機(jī)械部件和組件的組合。

不論怎樣復(fù)雜的載人航天器，它們的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基本都是由艙體結(jié)構(gòu)、防熱結(jié)構(gòu)、艙段之間和艙段與部件之間的連接與分離裝置、航天器之間的空間對(duì)接裝置、用來(lái)完成各種規(guī)定動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或裝置所組成。1

功能載人航天器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的主要功能是：

1)實(shí)現(xiàn)航天器的總體構(gòu)型。實(shí)現(xiàn)航天器外形構(gòu)型；為航天員提供生存空間，為此需要為航天員提供密封艙和密封通道；為航天器與運(yùn)載火箭提供機(jī)械連接界面；為航天器的停放、起吊、包裝、運(yùn)輸提供操作界面，因?yàn)檫@類(lèi)地面操作一般通過(guò)地面機(jī)械設(shè)備實(shí)施，所以航天器結(jié)構(gòu)需考慮與地面機(jī)械設(shè)備的機(jī)械接口界面。

2)支撐、承載功能。為安裝在航天器上的所有儀器設(shè)備、傳感器、電纜、管路等提供支撐，承受和傳遞航天器上所有載荷。結(jié)構(gòu)應(yīng)保證在載荷作用下，使航天器不發(fā)生破壞，不發(fā)生有害變形。

3)防熱功能。航天飛機(jī)機(jī)身和載人飛船返回艙的防熱結(jié)構(gòu)、防熱大底、舷窗和瞄準(zhǔn)鏡窗口、艙外分離密封板等結(jié)構(gòu)具有防熱功能，防熱結(jié)構(gòu)可以為航天器返回時(shí)提供熱保護(hù)。

4)密封功能。

5)分離功能。

6)著陸或落水的緩沖功能。1

航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析方法采用有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以計(jì)算各種載荷、各種邊界條件下的動(dòng)力響應(yīng)，和結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)相比較費(fèi)用較低。但是，針對(duì)實(shí)際對(duì)象建立的有限元模型，因邊界條件和連接條件的簡(jiǎn)化、幾何模型和本構(gòu)關(guān)系的近似、系統(tǒng)阻尼的人為引入等原因，往往會(huì)產(chǎn)生一定誤差。為把這些誤差減到工程允許范圍內(nèi)，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。

對(duì)于現(xiàn)代復(fù)雜航天器，由于在軌構(gòu)形復(fù)雜和規(guī)模龐大，在地面進(jìn)行全尺寸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)往往是不可能的；即使對(duì)發(fā)射收攏狀態(tài)的航天器，做全尺寸結(jié)構(gòu)星試驗(yàn)雖然是可能的，但是存在：試驗(yàn)費(fèi)用大；研制周期拉長(zhǎng)；實(shí)物完全造出來(lái)后才能試驗(yàn)；試驗(yàn)不合格時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)在時(shí)間和經(jīng)費(fèi)上都會(huì)造成很大浪費(fèi)等。實(shí)踐表明，對(duì)于復(fù)雜的航天器結(jié)構(gòu)，有限元模型預(yù)示與試驗(yàn)結(jié)果之間往往存在明顯誤差。消除這種誤差，可借助于結(jié)構(gòu)模型修正技術(shù)。

現(xiàn)代航天器設(shè)計(jì)大都采用平臺(tái)化、結(jié)構(gòu)化和模塊化技術(shù)，以縮短研制周期、降低研制成本和提高可靠性。結(jié)構(gòu)模型修正的目的任務(wù)，就是利用成熟衛(wèi)星平臺(tái)按有效載荷要求進(jìn)行適應(yīng)性改造，因此僅需對(duì)部分改造結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以對(duì)原平臺(tái)有限元模型進(jìn)行修正，使其有限元模型能代表新平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型，從而省掉結(jié)構(gòu)星實(shí)驗(yàn)，既節(jié)省經(jīng)費(fèi)又能縮短周期。

模型修正方法包括矩陣型修正方法和參數(shù)型修正方法。矩陣型修正方法的修正對(duì)象是模型中的總體矩陣或子結(jié)構(gòu)的總體矩陣。參數(shù)型修正方法的修正對(duì)象是模型中的矩陣元素或者結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括物理參數(shù)和幾何參數(shù)。Roy等提出了三條標(biāo)準(zhǔn)定性地對(duì)兩者進(jìn)行評(píng)價(jià)：修正后的有限元模型的物理意義；修正后元素與矩陣以及質(zhì)量陣與剛度陣之間的關(guān)聯(lián)性；修正的真實(shí)性（針對(duì)修正后出現(xiàn)了虛元和負(fù)剛度）。從這三條標(biāo)準(zhǔn)看，參數(shù)型修正方法更具有優(yōu)越性。

結(jié)構(gòu)模型修正屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的反問(wèn)題，其關(guān)鍵問(wèn)題主要有：①有限元模型的自由度與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖杂啥认啾龋鋽?shù)量差異很大且含義不同；②誤差定位較困難；③縮聚后模型求出的特征參數(shù)與實(shí)測(cè)的特征參數(shù)符合，并不能保證回到修正后的有限元模型時(shí)，兩者仍能保持一致；④修正后的計(jì)算模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诘碗A模態(tài)的吻合，不能證明高階模態(tài)是否較原模型有所改善；⑤修正后的模型不是唯一的。2

不同航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)本身承受載荷的功能，可把整個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)作如下所述的劃分。

(1)主結(jié)構(gòu)

主結(jié)構(gòu)或稱(chēng)主承力結(jié)構(gòu)，它是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中的“脊梁”。主結(jié)構(gòu)與運(yùn)載火箭對(duì)接，把載荷從運(yùn)載火箭傳遞到航天器，構(gòu)成載荷傳遞路徑，主要承受發(fā)射時(shí)火箭推力傳來(lái)的載荷。衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式有中心承力筒結(jié)構(gòu)、桿系結(jié)構(gòu)、箱形板式結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)。另外，主結(jié)構(gòu)也可包括衛(wèi)星與運(yùn)載火箭的對(duì)接段和衛(wèi)星上的發(fā)動(dòng)機(jī)支架。

(2)次結(jié)構(gòu)

次結(jié)構(gòu)是由上述主結(jié)構(gòu)分支出來(lái)的衛(wèi)星上其余各種結(jié)構(gòu)，如各種儀器設(shè)備的安裝結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星外殼結(jié)構(gòu)等。另外，次結(jié)構(gòu)也可包括展開(kāi)式太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)和某些天線結(jié)構(gòu)。次結(jié)構(gòu)不僅要考慮衛(wèi)星發(fā)射時(shí)載荷的作用，還應(yīng)考慮發(fā)射時(shí)噪聲的作用、空間溫度交變環(huán)境的影響、與姿控分系統(tǒng)的相互干擾、空間位置穩(wěn)定性等各種因素。

目前，多數(shù)衛(wèi)星采用中心承力筒形式作為主結(jié)構(gòu)，右圖就是一個(gè)實(shí)例。

圖示的INTELSAT V通信衛(wèi)星中心承力筒由一段直筒和一段錐筒組成，它們通過(guò)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)框連接在一起。簡(jiǎn)體為不對(duì)稱(chēng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料面板由高強(qiáng)碳纖維T300織布和高模量碳纖維混合鋪成，芯材為鋁蜂窩芯子。蜂窩夾層筒體與發(fā)動(dòng)機(jī)框和包帶分離框是通過(guò)膠粘劑膠接，并輔助以鉚釘連接而成的。1

載人飛船結(jié)構(gòu)系統(tǒng)載人飛船一般由乘員返回座艙(返回艙)、軌道艙、服務(wù)艙、對(duì)接艙、應(yīng)急救生裝置、太陽(yáng)翼(太陽(yáng)能電池板)等部分組成。

結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的主要任務(wù)是為航天員提供密封的壓力艙，為其他分系統(tǒng)提供安放各種儀器設(shè)備、流體管道和電纜等的適當(dāng)空間和連接支架等。飛船返回艙結(jié)構(gòu)還必須具有防護(hù)氣動(dòng)熱的防熱結(jié)構(gòu)。

機(jī)構(gòu)指一些可動(dòng)的結(jié)構(gòu)部件，包括太陽(yáng)能電池板和天線等的展開(kāi)機(jī)構(gòu)，艙門(mén)的關(guān)啟機(jī)構(gòu)以及與空間站對(duì)接的對(duì)接機(jī)構(gòu)等。

飛船艙段結(jié)構(gòu)有密封結(jié)構(gòu)和非密封結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。飛船的返回艙(座艙)、軌道艙等屬密封結(jié)構(gòu)。飛船的資源艙、推進(jìn)艙和儀器艙等通常為非密封結(jié)構(gòu)。與機(jī)身結(jié)構(gòu)相似，受力元件主要是蒙皮、隔框和桁條等。

返回艙是飛船的核心艙，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)具有承受內(nèi)部壓力的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防護(hù)屏厚度應(yīng)不致被微流星或空間垃圾擊穿，并具有一定的輻射屏蔽能力，保護(hù)航天員的健康。

以聯(lián)盟號(hào)返回艙結(jié)構(gòu)為例，返回艙結(jié)構(gòu)由內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)和外部防熱結(jié)構(gòu)組成。內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)為鋁合金結(jié)構(gòu)，用以承力和安裝儀器設(shè)備，包括前端框和后端框、側(cè)壁金屬結(jié)構(gòu)以及密封大底。

側(cè)壁金屬結(jié)構(gòu)的上部為球段、中部為錐段、下部為筒段，由蒙皮、隔框和桁條等組成。桁條主要用于承受發(fā)射救生時(shí)作用在返回艙上的軸向過(guò)載。桁條采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，截面尺寸從前端框開(kāi)始到球錐相切處，由大變小。隔框主要用來(lái)承受橫向載荷以及內(nèi)壓和外壓，保持返回艙口的氣動(dòng)力外形。

密封大底與側(cè)壁密封連接。密封大底為端框加球底夾層結(jié)構(gòu)。球底夾層為蜂窩式夾層結(jié)構(gòu)，在改進(jìn)的聯(lián)盟-T和聯(lián)盟-TM中，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)改為雙層蒙皮，中間具有徑向加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式。密封大底上安裝儀器設(shè)備。儀器設(shè)備固定在與端框焊成一體的主承力梁上。梁中間底部與內(nèi)蒙皮之間有100 mm的間隙，用軟鋁板沖成的‘‘[’’形框連接，使飛船著陸時(shí)，大底產(chǎn)生變形，減弱著陸沖擊對(duì)安裝在大底上的儀器設(shè)備的影響。1

航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)航天飛機(jī)是一種可從空間軌道上整體返回，具有在指定機(jī)場(chǎng)跑道上著陸能力的、帶翼的多次重復(fù)使用的載人或不載人的航天器。航天飛機(jī)可以將各種有效載荷(例如各種衛(wèi)星等)直接送入近地軌道。航天飛機(jī)進(jìn)入近地軌道的部分叫做軌道器。由于軌道器具有一般航天器所具有的各種分系統(tǒng)，所以它可以完成包括人造地球衛(wèi)星、貨運(yùn)飛船、載人飛船甚至小型空間站等許多功能。它還可以完成一般航天器所沒(méi)有的功能，如向近地軌道施放衛(wèi)星，從軌道上捕捉、維修和回收衛(wèi)星等。

各種航天飛機(jī)雖然總體方案有所不同，但是在構(gòu)造原理上卻是相似的。下面僅以美國(guó)的航天飛機(jī)為例進(jìn)行介紹。美國(guó)的航天飛機(jī)主要由兩個(gè)助推器、一個(gè)外掛貯箱和一個(gè)軌道器組成。由于助推器和外掛貯箱的構(gòu)造與彈道式導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的構(gòu)造類(lèi)似，故不贅述。

軌道器是航天飛機(jī)的核心部分，也是設(shè)計(jì)最困難和結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的組成部分。它所經(jīng)歷的飛行過(guò)程及環(huán)境比現(xiàn)代飛機(jī)要惡劣得多。它的氣動(dòng)外形既要適合于在大氣中作高超聲速、超聲速、亞聲速和水平著陸時(shí)的低速飛行，又要有利于防護(hù)氣動(dòng)力加熱。軌道器從結(jié)構(gòu)上講包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼和著陸架。機(jī)身又可分為前段、中段和尾段三部分。

前段機(jī)身包括頭錐和乘員艙。頭錐內(nèi)有由反作用噴管組成的姿態(tài)控制系統(tǒng)。乘員艙為鋁合金和加強(qiáng)骨架焊接而成的密封艙，共有71．5m3的空間。整個(gè)乘員艙分上、中、下3層：上層是駕駛艙；中層是生活艙；下層是儀器設(shè)備艙。一般情況下乘員艙可容納4～7人，緊急情況下可容納10人。軌道器的乘員艙是密封的，里面充滿(mǎn)氧氣和氮?dú)狻Ｑ醯旌蠚怏w的壓力是1．013x105Pa。艙內(nèi)裝有3個(gè)風(fēng)機(jī)，使空氣流通。

中段機(jī)身主要是有效載荷艙，容積將近300m3，可裝載有效載荷為29．5t；向軌道布放或從軌道上回收修理的衛(wèi)星或其他航天器就放置在這里。為了在軌道上布放或回收有效載荷，艙內(nèi)設(shè)有可以遙控的機(jī)械臂。它是一個(gè)總長(zhǎng)15m多的三節(jié)細(xì)長(zhǎng)桿，由于桿件相對(duì)較細(xì)，整個(gè)機(jī)械臂十分柔軟，在地面上幾乎不能承受自身的質(zhì)量(410kg)，但是在失重條件下的宇宙空間，卻可以迅速而靈活地裝卸十多噸的有效載荷。有效載荷艙有兩扇圓弧形的艙門(mén)，每扇長(zhǎng)18．3m，圓柱弧長(zhǎng)3．04m。它采用石墨/環(huán)氧-Nomex非金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。軌道器在軌道上運(yùn)行時(shí)，需要定時(shí)打開(kāi)艙門(mén)進(jìn)行散熱，因此要求艙門(mén)在溫差變化很大的情況下能夠開(kāi)啟方便。

尾段機(jī)身由整塊鋁板機(jī)械加工制成，里面配有硼環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)的鈦合金構(gòu)架。在后部有一個(gè)鋁蜂窩隔熱的防熱罩，用以保護(hù)推進(jìn)系統(tǒng)。尾段內(nèi)裝有3臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺(tái)軌道機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和反作用控制系統(tǒng)。

三角形機(jī)翼和垂直尾翼使軌道器返回地球的時(shí)候在大氣層中飛行具有良好的穩(wěn)定性和操縱性。能像普通飛機(jī)一樣飛行自如。1