基本介紹
- 中文名：太空飛行器結構系統
- 外文名：spacecraft structure system
結構組成,主要功能,分析方法,不同系統,
結構組成
載人太空飛行器結構系統是為航天員提供在太空飛行器內的生存空間，為各分系統的儀器設備提供支撐和固定，傳遞和承受在地面、發射、在軌運行和返回狀態下的所有載荷，完成規定動作，並具有規定強度和剛度的機械部件和組件的組合。
不論怎樣複雜的載人太空飛行器，它們的結構系統基本都是由艙體結構、防熱結構、艙段之間和艙段與部件之間的連線與分離裝置、太空飛行器之間的空間對接裝置、用來完成各種規定動作和運動的機構或裝置所組成。
主要功能
載人太空飛行器結構分系統的主要功能是：
1)實現太空飛行器的總體構型。實現太空飛行器外形構型；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；為太空飛行器與運載火箭提供機械連線界面；為太空飛行器的停放、起吊、包裝、運輸提供操作界面，因為這類地面操作一般通過地面機械設備實施，所以太空飛行器結構需考慮與地面機械設備的機械接口界面。
2)支撐、承載功能。為安裝在太空飛行器上的所有儀器設備、感測器、電纜、管路等提供支撐，承受和傳遞太空飛行器上所有載荷。結構應保證在載荷作用下，使太空飛行器不發生破壞，不發生有害變形。
3)防熱功能。太空梭機身和載人飛船返回艙的防熱結構、防熱大底、舷窗和瞄準鏡視窗、艙外分離密封板等結構具有防熱功能，防熱結構可以為太空飛行器返回時提供熱保護。
4)密封功能。
5)分離功能。
6)著陸或落水的緩衝功能。
分析方法
採用有限元模型進行結構設計，可以計算各種載荷、各種邊界條件下的動力回響，和結構動力試驗相比較費用較低。但是，針對實際對象建立的有限元模型，因邊界條件和連線條件的簡化、幾何模型和本構關係的近似、系統阻尼的人為引入等原因，往往會產生一定誤差。為把這些誤差減到工程允許範圍內，必須進行適當的結構動力學試驗。
對於現代複雜太空飛行器，由於在軌構形複雜和規模龐大，在地面進行全尺寸結構試驗往往是不可能的；即使對發射收攏狀態的太空飛行器，做全尺寸結構星試驗雖然是可能的，但是存在：試驗費用大；研製周期拉長；實物完全造出來後才能試驗；試驗不合格時改進設計在時間和經費上都會造成很大浪費等。實踐表明，對於複雜的太空飛行器結構，有限元模型預示與試驗結果之間往往存在明顯誤差。消除這種誤差，可藉助於結構模型修正技術。
現代太空飛行器設計大都採用平台化、結構化和模組化技術，以縮短研製周期、降低研製成本和提高可靠性。結構模型修正的目的任務，就是利用成熟衛星平台按有效載荷要求進行適應性改造，因此僅需對部分改造結構進行實驗，以對原平台有限元模型進行修正，使其有限元模型能代表新平台的結構模型，從而省掉結構星實驗，既節省經費又能縮短周期。
模型修正方法包括矩陣型修正方法和參數型修正方法。矩陣型修正方法的修正對象是模型中的總體矩陣或子結構的總體矩陣。參數型修正方法的修正對象是模型中的矩陣元素或者結構的設計參數，包括物理參數和幾何參數。Roy等提出了三條標準定性地對兩者進行評價：修正後的有限元模型的物理意義；修正後元素與矩陣以及質量陣與剛度陣之間的關聯性；修正的真實性（針對修正後出現了虛元和負剛度）。從這三條標準看，參數型修正方法更具有優越性。
結構模型修正屬於結構動力學的反問題，其關鍵問題主要有：①有限元模型的自由度與試驗模型的自由度相比，其數量差異很大且含義不同；②誤差定位較困難；③縮聚後模型求出的特徵參數與實測的特徵參數符合，並不能保證回到修正後的有限元模型時，兩者仍能保持一致；④修正後的計算模型與試驗模型在低階模態的吻合，不能證明高階模態是否較原模型有所改善；⑤修正後的模型不是唯一的。
不同系統
人造衛星結構系統
根據衛星結構本身承受載荷的功能，可把整個衛星結構作如下所述的劃分。
(1)主結構
主結構或稱主承力結構，它是衛星結構中的“脊樑”。主結構與運載火箭對接，把載荷從運載火箭傳遞到太空飛行器，構成載荷傳遞路徑，主要承受發射時火箭推力傳來的載荷。衛星主結構的主要結構形式有中心承力筒結構、桿繫結構、箱形板式結構、殼體結構。另外，主結構也可包括衛星與運載火箭的對接段和衛星上的發動機支架。
(2)次結構
次結構是由上述主結構分支出來的衛星上其餘各種結構，如各種儀器設備的安裝結構和衛星外殼結構等。另外，次結構也可包括展開式太陽能電池板結構和某些天線結構。次結構不僅要考慮衛星發射時載荷的作用，還應考慮發射時噪聲的作用、空間溫度交變環境的影響、與姿控分系統的相互干擾、空間位置穩定性等各種因素。
圖1
多數衛星採用中心承力筒形式作為主結構，圖1就是一個實例。
圖1示的INTELSAT V通信衛星中心承力筒由一段直筒和一段錐筒組成，它們通過遠地點發動機框連線在一起。簡體為不對稱蜂窩夾層結構，碳纖維/環氧樹脂複合材料面板由高強碳纖維T300織布和高模量碳纖維混合鋪成，芯材為鋁蜂窩芯子。蜂窩夾層筒體與發動機框和包帶分離框是通過膠粘劑膠接，並輔助以鉚釘連線而成的。
載人飛船結構系統
載人飛船一般由乘員返回座艙(返回艙)、軌道艙、服務艙、對接艙、應急救生裝置、太陽翼(太陽能電池板)等部分組成。
結構分系統的主要任務是為航天員提供密封的壓力艙，為其他分系統提供安放各種儀器設備、流體管道和電纜等的適當空間和連線支架等。飛船返回艙結構還必須具有防護氣動熱的防熱結構。
機構指一些可動的結構部件，包括太陽能電池板和天線等的展開機構，艙門的關啟機構以及與空間站對接的對接機構等。
飛船艙段結構有密封結構和非密封結構兩大類。飛船的返回艙(座艙)、軌道艙等屬密封結構。飛船的資源艙、推進艙和儀器艙等通常為非密封結構。與機身結構相似，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，在結構設計中，應具有承受內部壓力的結構強度，防護屏厚度應不致被微流星或空間垃圾擊穿，並具有一定的輻射禁止能力，保護航天員的健康。
以聯盟號返回艙結構為例，返回艙結構由內部金屬結構和外部防熱結構組成。內部金屬結構為鋁合金結構，用以承力和安裝儀器設備，包括前端框和後端框、側壁金屬結構以及密封大底。
側壁金屬結構的上部為球段、中部為錐段、下部為筒段，由蒙皮、隔框和桁條等組成。桁條主要用於承受發射救生時作用在返回艙上的軸向過載。桁條採用等強度設計，截面尺寸從前端框開始到球錐相切處，由大變小。隔框主要用來承受橫向載荷以及內壓和外壓，保持返回艙口的氣動力外形。
密封大底與側壁密封連線。密封大底為端框加球底夾層結構。球底夾層為蜂窩式夾層結構，在改進的聯盟-T和聯盟-TM中，蜂窩夾層結構改為雙層蒙皮，中間具有徑向加強筋的結構形式。密封大底上安裝儀器設備。儀器設備固定在與端框焊成一體的主承力樑上。梁中間底部與內蒙皮之間有100 mm的間隙，用軟鋁板沖成的‘‘[’’形框連線，使飛船著陸時，大底產生變形，減弱著陸衝擊對安裝在大底上的儀器設備的影響。
太空梭結構系統
太空梭是一種可從空間軌道上整體返回，具有在指定機場跑道上著陸能力的、帶翼的多次重複使用的載人或不載人的太空飛行器。太空梭可以將各種有效載荷(例如各種衛星等)直接送入近地軌道。太空梭進入近地軌道的部分叫做軌道器。由於軌道器具有一般太空飛行器所具有的各種分系統，所以它可以完成包括人造地球衛星、貨運飛船、載人飛船甚至小型空間站等許多功能。它還可以完成一般太空飛行器所沒有的功能，如向近地軌道施放衛星，從軌道上捕捉、維修和回收衛星等。
各種太空梭雖然總體方案有所不同，但是在構造原理上卻是相似的。下面僅以美國的太空梭為例進行介紹。美國的太空梭主要由兩個助推器、一個外掛貯箱和一個軌道器組成。由於助推器和外掛貯箱的構造與彈道式飛彈和運載火箭的構造類似，故不贅述。
軌道器是太空梭的核心部分，也是設計最困難和結構最複雜的組成部分。它所經歷的飛行過程及環境比現代飛機要惡劣得多。它的氣動外形既要適合於在大氣中作高超聲速、超聲速、亞聲速和水平著陸時的低速飛行，又要有利於防護氣動力加熱。軌道器從結構上講包括機身、機翼、尾翼和著陸架。機身又可分為前段、中段和尾段三部分。
前段機身包括頭錐和乘員艙。頭錐內有由反作用噴管組成的姿態控制系統。乘員艙為鋁合金和加強骨架焊接而成的密封艙，共有71．5m的空間。整個乘員艙分上、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，裡面充滿氧氣和氮氣。氧氮混合氣體的壓力是1．013x105Pa。艙內裝有3個風機，使空氣流通。
中段機身主要是有效載荷艙，容積將近300m，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星或其他太空飛行器就放置在這裡。為了在軌道上布放或回收有效載荷，艙內設有可以遙控的機械臂。它是一個總長15m多的三節細長桿，由於桿件相對較細，整個機械臂十分柔軟，在地面上幾乎不能承受自身的質量(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，每扇長18．3m，圓柱弧長3．04m。它採用石墨/環氧-Nomex非金屬蜂窩夾層結構。軌道器在軌道上運行時，需要定時打開艙門進行散熱，因此要求艙門在溫差變化很大的情況下能夠開啟方便。
