碳纤维蜂窝夹层结构在人造卫星的应用

2021-06-24 13:21
  碳纤维蜂窝夹层结构由于具有高强度、高刚度的优异性能,已在国内外卫星结构上得到了成熟的应用。目前,卫星上的太阳能电池阵列结构、抛物面天线和SAR天线、中心承力筒、各种载荷舱和仪器安装板等主要结构件均采用碳纤维蜂窝夹层结构,从而有效地减轻了结构的质量,提高了结构的刚度,大幅度地降低卫星发射成本。

  一、太阳能电池帆板

卫星上的太阳电池阵列结构有体装式和展开式两种结构形式。体装式太阳电池阵列结构是与卫星本体连接在一起,或者就是卫星本体的一部分,它是由碳纤维复合材料面板与铝蜂窝芯复合的夹层结构,电池阵列的形式随卫星本体的结构形状不同而异,有多面体或圆柱体。

  由于体装式电池阵能提供铺放太阳电池的面积有限,一般只适用于功耗在500W以下的小型卫星,对功率要求较高的卫星则采用了展开式太阳电池阵。为了满足卫星需要大功率能源的需要,要有更大面积的太阳电池阵,为此把大面积太阳电池阵伸出卫星本体之外接受阳光的辐照。卫星发射时太阳电池阵收拢在卫星的本体上,待卫星与运载火箭分离后在空间轨道上太阳电池阵展开到工作状态。

展开式太阳电池阵有两种结构形式,一种是刚性结构,一是种半刚性结构。其中江苏博实体碳纤维科技有限公司便参与研发制造过某型号卫星的的刚性结构太阳电池阵,该电池阵是由多块碳纤维的网格状面板和铝蜂窝芯构成的夹层结构,每块的边框由碳纤维缠绕成型,在表面上还敷有一层聚酰亚胺薄膜以满足绝缘、耐高低温等要求。

  二、卫星天线

利用卫星通讯,天线是最重要的部件,由于卫星的工作环境温差较大,对天线结构要求是其外形和位置不能随外界温度的变化而发生变化。碳纤维复合材料面板与铝蜂窝芯构成的夹层结构在这方面显示了其独特的优点,它具有高刚度和高强度,能承受运载火箭发射时的静、动载荷,它不需要另加金属覆盖就可以达到所需的微波反射特性,尤其关键的是这种结构通过设计可得到零膨胀系数,在卫星环境发生较大的温度改变时,其形状和姿态都能保持稳定不变,因此不论是抛物面天线还是SAR天线都将碳纤维面板、铝蜂窝芯夹层结构作为首选材料。

   三、卫星本体结构

卫星本体结构的主承力筒以及内部的仪器安装板等几乎全部使用了碳纤维蜂窝夹层结构。碳纤维复合材料面板、铝蜂窝芯夹层结构不仅其结构性能好,而且其胶层和蜂窝空腔有较好的隔热、隔声功能,可以满足部分装置的隔热、消音需要。这种夹层结构还具有较大的减震、吸收冲击能量的功能,可作为卫星回收的缓冲装置,因此在卫星的本体上夹层结构的使用部位比较普遍。国际通讯卫星V号中心承力筒上段为圆柱体,下段为圆锥体,均采用了碳纤维复合材料面板、铝蜂窝芯夹层结构,与原采用的铝合金承力筒相比质量减轻了27%,通讯线路增加了2000多条,而制造成本仅增加不到30%。