基于多軸載波的著陸器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于多軸載波的著陸器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計嫦娥三角洲軍事設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)承受著用于執(zhí)行任務(wù)的集體作用、爆炸和地面推動的集中負(fù)荷。由于溫度和環(huán)境惡化，設(shè)備的質(zhì)量和設(shè)備的質(zhì)量分配變得困難。嫦娥三角洲軍事設(shè)備的結(jié)構(gòu)根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行了開發(fā)，采用了十字支持結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。同時，還采用了梁板復(fù)合結(jié)構(gòu)的新元龍主體和其他手段。進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)效率。該系統(tǒng)經(jīng)歷了一代又一代的開發(fā)、試驗、開發(fā)、軌跡和月球著陸，完成了所有任務(wù)。本文從分系統(tǒng)組成與功能、分系統(tǒng)設(shè)計、分析與試驗驗證等方面介紹了嫦娥三號著陸器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)情況.2月面內(nèi)著陸器結(jié)構(gòu)著陸器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的主要功能是為探測器提供安裝平臺和主承力平臺.也就是為探測器上的設(shè)備提供安裝面和安裝空間,保證設(shè)備的安裝面精度,保證探測器在地面、發(fā)射、著陸和在月面工作期間本體構(gòu)形的完整性,在組裝、停放、起吊、運(yùn)輸、總裝、測試、發(fā)射、飛行、著陸和在月面工作期間承受相應(yīng)的載荷條件.著陸器結(jié)構(gòu)主要由主承力結(jié)構(gòu)、頂板、uf02dY艙、+Y艙、uf02dZ艙、+Z側(cè)組件等組成(圖1).主承力結(jié)構(gòu)主要由對接環(huán)、底板、十字支撐結(jié)構(gòu)、上框及斜側(cè)板構(gòu)成(圖2);十字支撐結(jié)構(gòu)由4塊隔板和中心接頭組裝而成,中部的大開孔為7500N發(fā)動機(jī)預(yù)留,隔板為梁板復(fù)合結(jié)構(gòu),起主要的承力作用.4個貯箱并聯(lián)布置,其下部直接安裝在對接環(huán)上.3地面設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1著陸器的整器安裝與以往的空間飛行器結(jié)構(gòu)不同,著陸器結(jié)構(gòu)除了承受發(fā)射載荷外,還將承受著陸載荷,而著陸載荷通過著陸緩沖機(jī)構(gòu)作用在結(jié)構(gòu)上的集中點,這就要求著陸器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的衛(wèi)星和飛船的結(jié)構(gòu)形式上很大不同.為提高著陸穩(wěn)定性,著陸器宜采用扁平的結(jié)構(gòu)構(gòu)型以滿足降低探測器重心的需求.為了變軌和減速,著陸器攜帶了大量推進(jìn)劑,推進(jìn)劑重量約占整器發(fā)射重量2/3,比例很大,因此整器需要安裝大型貯箱;與此同時著陸器還配置了與大型貯箱相適應(yīng)的7500N發(fā)動機(jī),其占用相應(yīng)空間很大.著陸器結(jié)構(gòu)重量要求苛刻.一般航天器結(jié)構(gòu)重量占整器重量的百分比較大,而嫦娥三號探測器用CZ-3B運(yùn)載發(fā)射,重量非常緊張,要求著陸器結(jié)構(gòu)為整個探測器減重做出貢獻(xiàn).著陸時,著陸器結(jié)構(gòu)已經(jīng)歷了飛行過程中惡劣的環(huán)境(主要是熱環(huán)境),著陸時結(jié)構(gòu)的溫度范圍也很大,需要注意適應(yīng)特殊的溫度環(huán)境.3.2結(jié)構(gòu)體系設(shè)計根據(jù)任務(wù)分析,結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計時,首先需要著重考慮4個大型貯箱和7500N變推力發(fā)動機(jī)的安裝位置和安裝空間(貯箱位置基本決定了探測器的質(zhì)心位置).研究國外月球探測器結(jié)構(gòu)和桁架式衛(wèi)星結(jié)構(gòu),以及國內(nèi)研究的桁架式衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu),其構(gòu)型的共同特點是多個貯箱并聯(lián)布置,貯箱下部直接安裝在對接環(huán)或短梁上,此類構(gòu)型具備傳力路徑短、重心低的特點.著陸器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)根據(jù)探測器任務(wù)要求,提出十字支撐著陸器結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案.從力學(xué)上看,該結(jié)構(gòu)構(gòu)型為含有桁架的較為封閉的箱體結(jié)構(gòu),箱體尺寸為2500mm(長)×2500mm(寬)×1240mm(高),由位于結(jié)構(gòu)中心的十字支撐結(jié)構(gòu)以及對接環(huán)、側(cè)板、底板、頂板組成,如圖3所示.十字支撐結(jié)構(gòu)由4塊隔板和中心接頭組裝而成,中部的大開孔為7500N發(fā)動機(jī)預(yù)留空間.為了適應(yīng)十字承載構(gòu)型,特將隔板設(shè)計為梁板復(fù)合結(jié)構(gòu).其中梁為高模量碳纖維纏繞的矩形梁,預(yù)埋于隔板內(nèi)側(cè)位置,起主要的承力作用;板為碳纖維蒙皮鋁蜂窩板,起輔助支撐作用,并可用于安裝設(shè)備、電纜和管路.同時此種形式的結(jié)構(gòu)板比單純的桁架結(jié)構(gòu)更易于安裝.箱體側(cè)面的四棱削去,以滿足運(yùn)載整流罩的包絡(luò)要求,并可用于安裝姿控發(fā)動機(jī).與運(yùn)載接口采用包帶連接,對接環(huán)柱段中徑1750mm,高200mm.對接環(huán)高度較高主要是考慮:1)避免包帶解鎖時包帶與貯箱管嘴干涉;2)對擴(kuò)散集中載荷有利.3.3水流路徑分析3.3.1其他設(shè)備的荷載上傳橫向載荷.貯箱引起的橫向載荷分為上下兩路,上路通過貯箱拉桿傳到十字支撐結(jié)構(gòu),再傳到對接環(huán),下路直接傳到對接環(huán).其他設(shè)備(包括巡視器)主要安裝在側(cè)板和頂板,側(cè)板上載荷通過十字支撐結(jié)構(gòu)和底板傳到對接環(huán),頂板上載荷通過十字支撐結(jié)構(gòu)傳到對接環(huán).對接環(huán)上的載荷再傳到運(yùn)載火箭.縱向載荷.貯箱的縱向載荷直接傳到對接環(huán),其他設(shè)備的縱向載荷通過十字支撐結(jié)構(gòu)傳到對接環(huán).對接環(huán)上的載荷再傳到運(yùn)載火箭.3.3.2上傳月面的月面橫向載荷.橫向載荷一部分傳遞到十字支撐結(jié)構(gòu),通過著陸器緩沖器支架傳到著陸緩沖機(jī)構(gòu),然后再由主緩沖器傳到月面;另一部分傳遞到底板后,通過底板傳到著陸緩沖機(jī)構(gòu)的輔助緩沖器,然后再由主緩沖器傳到月面.縱向載荷.貯箱的縱向載荷(此時推進(jìn)劑已所剩無幾,載荷較小)通過對接環(huán)傳到十字支撐結(jié)構(gòu).其他設(shè)備的縱向載荷直接傳到十字支撐結(jié)構(gòu).十字支撐結(jié)構(gòu)上的載荷通過緩沖器支架再傳到著陸緩沖機(jī)構(gòu)的主緩沖器,最后傳到月面.3.3.3與陸并斷德國調(diào)擔(dān)保機(jī)構(gòu)主支柱接頭吊點共4個,安排在緩沖器支架上,共用與著陸緩沖機(jī)構(gòu)主支柱接頭,與著陸載荷縱向載荷傳力路徑相同,但須注意此時推進(jìn)劑為發(fā)射時的狀態(tài),載荷較大.3.3.4最主要承力結(jié)構(gòu)分析停放及運(yùn)輸載荷傳力路徑與發(fā)射狀態(tài)相同.綜上分析,對接環(huán)、十字支撐結(jié)構(gòu)和緩沖器支架是最主要的承力結(jié)構(gòu),在設(shè)計、生產(chǎn)、驗收、試驗中需要特別關(guān)注.3.4主要結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計3.4.1對接環(huán)下法蘭對接環(huán)是整器的基礎(chǔ)和裝配基準(zhǔn),起到承受、傳遞整器停放、運(yùn)輸、發(fā)射載荷的作用.對接環(huán)為鋁合金一體機(jī)加件,材料為2A14T6鍛鋁,最大外形尺寸為uf0661910mm×200mm(圖4).對接環(huán)下法蘭是著陸器裝配的基礎(chǔ),用于同運(yùn)載對接,并為衛(wèi)星提供支撐,經(jīng)與運(yùn)載協(xié)調(diào)截面形狀與1194A型接口保持一致.對于著陸器結(jié)構(gòu),對接環(huán)與十字支撐結(jié)構(gòu)連接處的載荷以及貯箱安裝處的載荷很大且為集中載荷.為了使對接環(huán)能夠承受上述集中載荷,上法蘭在接頭處的厚度增加,柱段在接頭處的厚度增加并在貯箱對應(yīng)位置設(shè)計加強(qiáng)筋;對接環(huán)高度設(shè)計為200mm,以有效的分散來自上法蘭的集中載荷,同時為貯箱管嘴及包帶壓緊解鎖提供了足夠的空間.3.4.2碳纖維增強(qiáng)板內(nèi)埋梁安裝面.面板的安裝面.面板的混凝土面板板內(nèi)混凝土面板為復(fù)合放射面,板內(nèi)埋梁填充混凝土復(fù)合材料進(jìn)行壓壓板板內(nèi)填充.4塊隔板組成的十字支撐結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)平臺的關(guān)鍵承力部件(圖5).隔板主體為蜂窩夾層結(jié)構(gòu),為了形成穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu),強(qiáng)化傳力路徑,將其設(shè)計為梁板復(fù)合結(jié)構(gòu),截面如圖6所示.隔板中的梁預(yù)埋于隔板內(nèi)側(cè)位置,構(gòu)成四棱錐,保證了平臺剛度;蜂窩板可分散載荷,并可提供設(shè)備安裝面.由于板內(nèi)埋梁,受力情況復(fù)雜,面板材料選用高強(qiáng)度碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料,可以較好的協(xié)調(diào)面板與內(nèi)埋梁間的剛度梯度,同時兼顧較好地承受著陸沖擊載荷.板中的梁為預(yù)埋纏繞矩形空心梁,材料為高模量碳纖維復(fù)合材料,用以提高整器剛度.隔板在下接頭附近受力較大,對隔板下接頭附近采取內(nèi)埋梁外側(cè)蜂窩格填充發(fā)泡膠、局部區(qū)域面板鋪層加倍的加強(qiáng)措施.為防止梁板結(jié)合處的邊緣剝離,在隔板內(nèi)側(cè)邊緣加碳纖維編織布包裹,局部板厚有所增加.隔板上部和下部各設(shè)有一個傳遞較大集中載荷的接頭.具體方法是在預(yù)埋梁端部的梁內(nèi)粘接墊塊,梁外填充泡沫膠.部裝時在墊塊上打孔與其他結(jié)構(gòu)件連接.隔板與緩沖器支架連接處受到從緩沖器傳來的著陸沖擊載荷,隔板與巡視器支架連接處受到從巡視器傳來的載荷,需要在對應(yīng)的位置周圍區(qū)域進(jìn)行加貼碳布和填充泡沫膠加強(qiáng).3.4.3緩沖立板和平板連接緩沖器支架是著陸緩沖分系統(tǒng)的緩沖腿主緩沖器與著陸器側(cè)板連接的接口.緩沖器支架受到載荷大,對剛度基本無要求,其設(shè)計主要是強(qiáng)度設(shè)計.緩沖器支架共2種,+Z方向與其他三方向的略有不同.+Z緩沖器支架結(jié)構(gòu)由緩沖立板(垂直三角板)和緩沖平板(水平三角板)組成,由角條連接,如圖7所示.主緩沖器上接頭與緩沖器支架連接,主緩沖腿上的集中載荷直接作用其上.緩沖立板主要用于將著陸載荷的垂直分量和Z向水平分量傳遞到著陸器本體結(jié)構(gòu),緩沖平板主要用于將著陸載荷的Y向水平分量傳遞到著陸器本體結(jié)構(gòu).為改善受力,緩沖立板也是梁板復(fù)合結(jié)構(gòu),其形式與著陸器隔板一樣,只是所埋梁的截面縮小,鋪層和材料不變.考慮到內(nèi)埋梁的兩端需要傳遞的載荷較大,進(jìn)行了加強(qiáng)處理,包括3個措施.1)在內(nèi)埋梁端部的梁內(nèi)粘接墊塊;2)立板與平板連接角條外端和立板與側(cè)板連接角條下端擴(kuò)大,與立板膠接,并完全蓋住墊塊,最后一起打孔螺接;3)內(nèi)埋梁下端墊塊通過平片與底板連接.墊塊設(shè)計為熱脹系數(shù)相近的三維編織復(fù)合材料墊塊,防止高溫導(dǎo)致金屬材料與碳纖維材料熱變形協(xié)調(diào)問題,另一方面也減輕了結(jié)構(gòu)重量.平板位于立板上方,呈等腰梯形.水平三角板采用碳蒙皮鋁蜂窩夾心結(jié)構(gòu).+Y,uf02dY,uf02dZ側(cè)緩沖器支架結(jié)構(gòu)借用儀器艙底板代替平板,立板與儀器艙底板通過角條連接.平板與立板連接線的左右兩端,會在側(cè)板上施加較大的面外載荷,立板的上下兩端,會在隔板上施加較大的面內(nèi)載荷,側(cè)板、隔板、底板和結(jié)構(gòu)連接設(shè)計時進(jìn)行了相應(yīng)的考慮.3.4.4儀器艙底板設(shè)計+Y,uf02dY側(cè)的外掛儀器艙構(gòu)形如圖8.緩沖器支架結(jié)構(gòu)用儀器艙底板代替水平三角板,垂直三角板與儀器艙底板通過角條連接.儀器艙底板的設(shè)計參照水平三角板,在與著陸緩沖機(jī)構(gòu)主接頭對應(yīng)位置增加特殊設(shè)計埋件,以提高其局部承載能力.由于有傳熱的要求,+Y,uf02dY側(cè)板為鋁合金面板鋁蜂窩板,內(nèi)埋熱管,并且熱管與散熱板是一體的,散熱板與側(cè)板夾角110°.側(cè)板成型時需要設(shè)計特殊的工藝模板.3.5結(jié)構(gòu)部件的連接著陸器結(jié)構(gòu)中,隔板間連接、隔板與側(cè)板的連接、隔板與對接環(huán)的連接、緩沖器支架與著陸器結(jié)構(gòu)本體的連接將傳遞較大載荷,需要特別設(shè)計,其中緩沖器支架的連接前文已描述.3.5.1中心接頭角盒的連接4塊隔板通過中心接頭連接為十字支撐結(jié)構(gòu),中心接頭由4個相同的角盒組成,如圖9所示.中心接頭角盒的側(cè)面通過常溫固化膠和螺釘與隔板連接,膠接和螺接都可承載全部載荷.中心接頭側(cè)面的孔連接時以隔板上的孔為?？着浯?連接孔安裝抗剪釘,通過內(nèi)埋梁中的墊塊連接隔板內(nèi)埋梁,傳遞較大載荷,其余孔與板內(nèi)通用預(yù)埋件對應(yīng).4個中心接頭角盒底面在一個平面上,構(gòu)成與7500N變推力發(fā)動機(jī)的連接界面,通過8個螺釘連接.中心接頭角盒中間雙耳通過銷釘與貯箱上端拉桿連接.3.5.2?？着c孔配接.為了裝配方便,每塊隔板與對接環(huán)的連接通過2個對稱的鋁合金機(jī)加角盒實現(xiàn).角盒上的連接孔以隔板上的孔為?？着浯?角盒通過常溫固化膠和抗剪銷釘與隔板連接,以銷釘為主,銷釘通過墊塊連接隔板內(nèi)埋梁,傳遞較大載荷.角盒通過5個M6螺釘與對接環(huán)上法蘭連接,為了提高各螺釘載荷的均勻性角盒上設(shè)計有保證局部剛度的加強(qiáng)筋(圖10).3.6主承力結(jié)構(gòu)鋼板的成型由于緩沖器支架和中心接頭區(qū)域的溫度環(huán)境特殊,相應(yīng)結(jié)構(gòu)需要特別進(jìn)行熱設(shè)計.緩沖器支架的連接設(shè)計以螺接為主,支架由熱控包覆層包覆,可以滿足溫度條件,部裝連接其他部位與此處相同.隔板與中心接頭直接連接,作為主承力結(jié)構(gòu)的隔板等部件的成型,包括加強(qiáng)鋪層以及包裹布的粘接,以及梁板復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的加強(qiáng)墊塊的粘接均使用耐溫較好的J133膠,確保其在+100℃仍然具備承載能力.3.7與貯箱前端連接推進(jìn)分系統(tǒng)的大部件包括4個貯箱、2個氣瓶和1個7500N變推力發(fā)動機(jī).貯箱直接安裝在對接環(huán)上法蘭上,采用上下連接的方式安裝貯箱(圖11).貯箱上下各有1個法蘭.其上部通過貯箱拉桿組件與結(jié)構(gòu)中心接頭和吊點接頭連接.貯箱上端法蘭連接1個轉(zhuǎn)接接頭,再通過3個拉桿與結(jié)構(gòu)連接.轉(zhuǎn)接接頭通過8個均布的M8螺釘與貯箱上端連接,如圖11所示.這種連接形式僅限制橫向位移而不限制縱向位移,可以很好地適應(yīng)貯箱的軸向變形(貯箱內(nèi)壓及溫度引起的軸向變形),同時通過轉(zhuǎn)接接頭和拉桿將貯箱及燃料重量形成的橫向載荷傳遞到主結(jié)構(gòu)上.貯箱下部通過法蘭與對接環(huán)上法蘭連接,液體出口導(dǎo)管向?qū)迎h(huán)外傾斜.這種連接形式直接將貯箱及燃料重量形成的縱向及橫向載荷傳到對接環(huán)上.該連接方式傳力路徑設(shè)計合理,并且便于貯箱的安裝.2個氣瓶的外部機(jī)械狀態(tài)一致,采用上下連接的方式安裝.氣瓶在+Z+Y、+Z-Y側(cè)板各安裝1個,下部通過支架連接,上部通過兩道包帶連接.7500N發(fā)動機(jī)從結(jié)構(gòu)底部中央進(jìn)入,安裝在十字支撐結(jié)構(gòu)下部的錐形空間內(nèi),發(fā)動機(jī)頂部與中心接頭通過螺釘連接.另外,為了保證發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱不至于影響艙內(nèi)溫度環(huán)境,在發(fā)動機(jī)與艙體之間安裝了隔熱屏,其安裝接口設(shè)置在對接環(huán)下法蘭內(nèi)緣.小發(fā)動機(jī)通過支架安裝在斜側(cè)板上.管路安裝在底板、斜側(cè)板、十字支撐結(jié)構(gòu)上.著陸器主承力結(jié)構(gòu)通過上述總裝適應(yīng)設(shè)計使推進(jìn)系統(tǒng)總裝完成后形成了一個相對獨(dú)立的整體.4局部結(jié)構(gòu)試驗方案著陸器結(jié)構(gòu)在方案階段通過分析來指導(dǎo)主承力結(jié)構(gòu)構(gòu)形設(shè)計,并初步確定了主承力結(jié)構(gòu)部件的初始設(shè)計參數(shù).著陸器結(jié)構(gòu)在方案階段進(jìn)行了整器靜力試驗,驗證了主承力結(jié)構(gòu)在發(fā)射工況的承載能力.在方案分析的基礎(chǔ)上,著陸器結(jié)構(gòu)的初樣階段分析進(jìn)一步預(yù)示了構(gòu)形細(xì)化后的結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo)滿足總體要求,通過靜力分析及頻率響應(yīng)分析等手段指導(dǎo)了大設(shè)備安裝區(qū)域的結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)設(shè)計.在后續(xù)進(jìn)行的鑒定級整器噪聲及振動試驗全面驗證了結(jié)構(gòu)承載能力.另外,在初樣階段通過對局部結(jié)構(gòu)的靜力分析,指導(dǎo)了主緩支撐結(jié)構(gòu)及輔緩支撐結(jié)構(gòu)等局部結(jié)構(gòu)設(shè)計,并通過局部結(jié)構(gòu)靜力試驗,驗證了相應(yīng)結(jié)構(gòu)在著陸工況的承載能力.相應(yīng)局部