空间遥感器复合材料主承力相机底板研制技术

宁晓周 黄 云 孙东华 房海军



空间遥感器复合材料主承力相机底板研制技术

宁晓周 黄 云 孙东华 房海军

（北京空间机电研究所，北京 100076）

碳纤维复合材料因其质量轻、比强度和比刚度高等优点，越来越多地应用到航天器结构上。碳面板/铝蜂窝夹层结构板因刚度不足而难以在空间光学遥感器上广泛应用。通过优化设计，合理布局，研制出整体成型的碳纤维加强框架，提升普通蜂窝夹层结构底板的力学性能，研究证明，该相机底板能够大幅提高普通蜂窝夹层板的结构刚度和强度，可以作为空间光学遥感器的主承力底板，对类似结构的研制也具有一定的参考价值。

遥感相机；复合材料底板；结构分析；加强框架

1 引言

由于空间光学遥感相机的轻量化及结构热稳定性要求，使得传统的金属材料底板难以作为首选方案。高模量碳纤维复合材料具有密度低、比模量和比强度高、热膨胀系数低、性能可设计性、成型工艺性能好以及其它一些比传统金属材料优越的抗化学腐蚀性、抗疲劳性、振动阻尼性能等特点，近年来受到遥感器设计师们的青睐。某型号光学遥感相机底板需要安装众多相机设备，且结构稳定性及力学性能要求高，本文拟采用碳纤维-铝蜂窝夹层结构形式，但普通的碳纤维-铝蜂窝夹层结构板刚度和强度较低，尚不满足产品力学性能要求。根据相机设备安装位置，不断优化设计，合理增加传力路径，本文研制出整体成型的几子型碳纤维加强框架，并将其镶嵌在普通的碳纤维-铝蜂窝夹层结构板中，该方案能够大幅度提高普通蜂窝夹层结构板的刚度和强度，可以满足遥感相机对底板的严苛力学要求，作为空间光学遥感器主承力相机底板。

2 结构方案选择

为保证成像质量，空间光学遥感相机对承载的相机底板有很高的强度和刚度要求。某空间光学遥感相机对其安装底板性能指标要求如下：结构包络尺寸(1200±0.5)mm×(1100±0.5)mm×(50±0.5)mm；相机底板总质量≤20kg；在安装所有遥感设备状态下，相机承力底板基频≥80Hz；遥感设备安装面平面度优于0.05mm，所有安装孔位置精度优于0.15mm；相机底板热膨胀系数≤1e-6/℃；在、、三个方向分别加载30个g条件下，相机底板安全裕度不小于0.25。

普通金属材料相机底板因重量及热膨胀系数较大等劣势已难以满足空间光学遥感相机性能要求，而近年来蜂窝夹层结构板因其质量轻、比强度和比刚度高、尺寸稳定性好等优点，已广泛应用于各卫星平台和其他航天产品结构上。本文在普通的高模量碳纤维复合材料面板/铝蜂窝夹层结构板基础上，为有效提高相机底板结构刚度和强度，根据遥感相机安装设备的传力路径，经优化分析和仿真计算，研制出整体成型的碳纤维几字形加强框架来提高相机底板力学性能，研究证明，该类型遥感相机底板能够解决普通蜂窝夹层结构刚度不足的问题，且各项力学性能指标均优于普通蜂窝夹层结构板，可作为各型号遥感相机主承力底板。

2.1 普通蜂窝加层结构模型

通过有限元分析软件MSC.Patran建立普通的碳纤维面板/铝蜂窝夹层结构板模型，其中用3节点Tria3单元模拟蜂窝板，采用集中质量点模拟空间遥感相机的所有设备，所有设备通过RBE2刚性连接在相机底板上，边界条件为5个安装点固支，约束安装点6个自由度。对普通的相机底板进行模态分析及静力分析，结果显示普通相机底板一阶频率为58.64Hz，在1g重力作用下，该相机底板最大变形为0.085mm，最大应力为11.8MPa，普通相机底板有限元模型及第一阶模态振型图见图1。

图1 普通相机底板及第一阶模态图

2.2 加强底板模型

由上面结果可见普通的碳纤维面板/铝蜂窝夹层结构板刚度较低，无法满足空间光学遥感相机对承力底板的刚度要求。本文根据卫星设备安装位置和约束条件，通过仿真分析，不断地优化设计，合理布局，尽量增加相机底板传力路径，反复迭代计算，研制出如图2所示的整体成型碳纤维几字形加强框架，该加强框架厚度1mm，重量约1kg，可作为一个大的整体预埋件镶嵌在普通碳纤维面板/铝蜂窝夹层结构板中。该加强框架旨在将遥感相机底板受力较大的设备安装接口埋件放置在几字槽内。该方案的相机底板能够在重量增加很小的情况下，大幅增加相机底板承载力的传力路径，同时能够增强相机底板局部连接点的连接强度。经有限元分析计算，内嵌整体成型碳纤维几字型加强框架的相机底板一阶频率达到141.05Hz，在1g重力作用下该相机底板最大变形为0.014mm，最大应力为5.98MPa。图3为内嵌碳纤维几字型加强相机底板有限元模型及第一阶模态图。该模型中的碳纤维加强框架采用2节点梁单元模拟，其他设置均与普通蜂窝夹层结构板相同。

图2 整体成型几字形碳纤维加强框架

图3 加强的相机底板模型

两种相机底板的分析结果对比如表1所示。

表1 两种相机底板仿真结果

状态重量/kg一阶基频/Hz最大变形/m最大应力/Pa 无加强框架1858.648.5×10-511.8×107 有加强框架18.9141.051.4×10-55.98×106

由上述结果可知，相比普通蜂窝夹层相机底板，以很小的重量代价，内嵌碳纤维整体几字形加强框架相机底板结构能够获得更好的刚度和结构稳定性，该方案能够满足空间遥感相机对底板的性能要求。

2.3 失效分析

为校核该方案相机底板的强度，按、、三个方向分别加载准静态载荷30个g进行失效分析。本文选用Hoffman失效准则计算静力过载下的失效因子和安全裕度。由结果可知，向加载时最大失效因子为0.177，最小安全裕度为4.24；向加载时最大失效因子为0.341，最小安全裕度为1.72；向加载最大失效因子为0.636，最小安全裕度为0.611，失效分析结果见图4。

3 成型工艺研究

遥感相机底板整体结构为蜂窝夹层结构，上下面板均采用高模量碳纤维/氰酸脂复合材料，中间夹层为铝蜂窝，蜂窝选用有孔耐久性铝蜂窝，规格为LF2Y 0.04mm×4mm，内嵌整体碳纤维几字形加强框架，相机设备的安装孔及安装平面通过各种金属预埋件提供，孔位置度和安装平面度由机加工艺保证，通过胶接成型工艺将各零部件组装成一个整体结构。

3.1 碳面板及加强框架成型

为保证相机底板的刚度和强度，碳面板和几字形加强框架均选用高模量碳纤维作为增强材料。表2为高模量碳纤维的基本性能。树脂基体选用氰酸酯树酯，该树脂具有优良的电绝缘性能、极低的吸湿率、较高的耐热性、优良的尺寸稳定性以及良好的力学性能，其基本性能如表3所示。经设计优化，最终碳纤维面板采用对称铺层形式[0/+45/90/-45]s，加强框架铺层形式[+45/-45/0/90]s，单层碳纤维无纬布厚度0.125mm，面板和加强框架总厚度均为1mm，等效模量为98GPa，等效热膨胀系数为0.03×10-6/℃。

面板和加强框架成型工艺均采用真空袋-热压罐法，成型后，面板和加强框架均由数控机床后加工保证其外形尺寸及对应孔位精度，加强框架在成型过程中由专门的成型工装保证其形位尺寸。

表2 高模量碳纤维基本性能

牌号拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa热膨胀系数/ppm·℃-1热导率/W·(mK)-1延伸率/%密度/g·cm-3 高模量碳纤维4020540-1.1155.750.81.91

表3 氰酸脂树脂性能

密度/g·cm-3拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa压缩强度/MPa压缩模量/GPa弯曲强度/MPa弯曲模量/GPa 1.1241.33.351753.881112.98

3.2 组装胶接成型

所有安装接口均通过在相机底板中埋置金属预埋件实现，金属预埋件选用铝合金材料和钛合金材料，采用机械加工保证其形位尺寸。组装胶接前铝合金预埋件需要进行磷酸阳极化处理、钛合金预埋件需要进行表面喷砂处理以增强胶接质量。组装胶接时，选用中高温固化结构胶黏剂J-78B胶膜进行碳面板和铝蜂窝之间的胶接，选用J-78D或J-78D2泡沫胶进行蜂窝之间拼接、蜂窝与预埋件及框架之间的胶接和局部加强。J-78 90℃固化胶粘剂主要性能见表4。

表4 J-78 90℃固化结构胶粘剂主要性能

牌号室温胶接剪切强度/MPa80℃胶接剪切强度/MPa室温管抗剪切强度/MPa80℃管抗剪切强度/MPa J-78B≥23≥13 J-78D≥3.5≥2

相机底板成型后，因特殊要求，需要后粘接金属垫片和碳纤维加强片等零件，本文选用J-133结构胶粘剂来进行后粘接。该结构胶粘剂在室温(25±5)℃下，固化24～48h后，达到一定强度，可脱离夹具，7d后力学性能达到最佳固化状态。主要性能见表5。

表5 J-133结构胶粘剂性能

牌号组分外观室温胶接剪切强度/MPa100℃胶接剪切强度/GPa J-133甲组分∶乙组分100∶20乳白色≥25≥12

3.3 成型工艺流程

根据相机底板的结构特点和性能要求，该相机底板成型生产工艺流程如图5所示。

图5 相机底板成型工艺流程图

最终成型后的相机底板重量为19.2kg，经鉴定级振动试验，相机底板一阶基频为136.36Hz，相机底板外形尺寸、相机设备安装平面度和安装孔位位置精度均由机加工艺后加工保证，产品各项数据均满足总体设计要求。成型后的碳纤维整体加强框架如图6所示，图7为最终成型后的相机底板产品。

图6 整体成型的加强框架图

图7 相机底板产品图

4 结束语

普通的蜂窝夹层结构刚度较低，本文根据相机设备安装位置，通过合理布局，增加相机底板的传力路径，在普通的蜂窝夹层结构相机底板中镶嵌整体成型的碳纤维几字形加强框架，能够解决普通蜂窝板刚度不足的问题，这种新型的遥感相机底板能够满足空间光学遥感相机对结构的刚高度和刚强度力学性能要求，并且碳纤维几字形加强框架空间设计灵活，成型工艺性好，可以广泛应用于为同类型的遥感相机底板结构中。

1 袁家军. 卫星结构设计与分析[M]. 北京：中国宇航出版社，2004

2 陈烈民. 航天器结构与机构[M]. 北京：中国科学技术出版社，2005

3 陈萍，章令晖，罗世魁，等. 一种复杂曲面型遮光罩的成型技术[J]. 航天返回与遥感，2013，34(6)：81～88

4 王伟之，高卫军，郭崇岭，等. 空间相机结构设计中的拓扑优化及尺寸优化[J]. 航天返回与遥感，2012，33(6)：67～73

Study on Composite Material Main Force Baseplate in Space Remote Sensor

Ning Xiaozhou Huang Yun Sun Donghua Fang Haijun

(Beijing Institute of Space Mechanics＆Electricity, Beijing 100076)

Carbon fiber reinforced composites (CFRP) have been widely used in spacecraft structures due to their advantages such as light weight, high specific strength and high specific stiffness. It is difficult to be widely used in space optical remote sensor because of the lack of rigidity of carbon/aluminum honeycomb sandwich panels.In this paper, the whole forming carbon fiber reinforced frame is developed through the optimization design and reasonable layout to improve the mechanical properties of the common aluminum honeycomb sandwich structure with carbon fiber panel. The research results show that the new baseplate of the camera can greatly improve the stiffness and strength of the common camera baseplate, and it has some reference value for the development of the remote sensing camera baseplate.

opticsal remote sensor；composite material baseplate；structural analysis；reinforced frame

宁晓周（1985），工程师，工程力学专业；研究方向：复合材料结构设计及成型工艺研究。

2017-05-04