微小卫星解锁分离装置主结构设计分析及优化

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1、第29卷第6期航天器环境工程2012年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING681微小卫星解锁分离装置主结构设计分析及优化陈靖1，张翔2陈卫东2史瑾文3(1．南京航空航天大学机电学院，南京210016；2．南京航空航天大学高新技术研究院，南京210016；3．中国空间技术研究院，北京100094)摘要：文章介绍了某小卫星包带式星箭解锁分离装置初样产品的设计方案，建立了该装置的有限元模型，并通过轴向压缩静力试验验证了该模型的有效性。卫星用质心处的集中质量点代替，对解锁分离装置进行了j漠态与静力分析，验证了其主结构设计的合理性，同时还具

2、有较高的安全裕度和可优化空间。以卫星总质量为目标函数，解锁分离装置主结构各构件的壁厚为设计变量，并以初样产品的横向、轴向和扭转的基频以及其主结构强度满足设计要求为约束条件，进行了灵敏度分析和优化设计，优化后的解锁分离装置总质量减少了1．5kly。关键词：微小卫星；解锁分离装置；有限元模型；灵敏度分析；设计优化中图分类号：V423．4文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)06—0681—06DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．20l2．06．0l8在发射过程中，卫星与火箭的解锁分离至关重要，既要实现解锁分离的成功，又要给卫星提供

3、合理的分离速度。卫星与火箭的解锁分离装置一般有爆炸螺栓式和包带式两种⋯。爆炸螺栓式分离时因需要同时爆炸剪断一定数量的连接螺栓，可靠性较低，故已很少使用。而包带式是20世纪70年代研制并应用的解锁分离装置，通过爆炸可实现整个包带组件的解锁，因此分离的可靠性大大地提高，目前被广泛用于卫星与火箭之间的连接和分离【2。5J。包带式解锁分离装置一般由主结构与连接／分离组件组成，主结构包括与卫星固定连接的对接环及与运载火箭固定连接的适配器，连接／分离组件包括实现对接环和适配器连接、分离的包带组件，爆炸螺栓组件以及用于包带解锁后将卫星推出的分离弹簧组件【6J。对接环和适配器的结

4、构设计既要满足火箭与卫星连接的结构强度和刚度的要求，同时又要满足发射时动力学环境(包括正弦／随机振动、冲击和噪声)的要求。除此之外，它们的结构质量也是重要的设计约束目标，减轻结构质量可以增加有效载荷，有助于降低发射成本【7J。本文以质量为57．5埏的某微小卫星的包带式解锁分离装置为研究对象，其对接面的外径为300lnrll。根据解锁分离装置的设计要求，进行了初样产品方案的设计；建立了解锁分离装置的有限元模型，并通过轴向静力试验验证了该模型的有效性；卫星用其质心处的集中质量点代替，对解锁分离装置进行了模态和静力分析，验证了其主结构设计的合理性；以卫星总质量为目标函数

5、，以解锁分离装置主结构各部件的壁厚为设计变量，并以初样产品的j潢向、轴向和扭转的基频以及其主结构强度满足设计要求为约束条件，进行了灵敏度分析和优化设计。1初样产品设计方案1．1设计要求在解锁分离装置设计过程中，因卫星是以集中质量点代替，其质量特性(包括质量、质心位置和转动惯量)要与实际相符。卫星与解锁分离装置的连接方式为集中质量点与对接环上表面12个连接孔进行刚性杆连接。z向为星箭的轴线方向，X、Y方向位于对接环上表面内，原点位于对接环上表面的圆心。1)卫星的质心坐标(0．5mlTl，0．5mlTl，203mm)，收稿日期：2012—06—12；修回日期：2012

6、—06—29基金项目：南京航空航天大学某型微小卫星研制项目作者简介：陈靖(1988一)，男，硕士研究生，研究方向为微小卫星结构设计技术；E-mail：rayer09@qq．com。张翔(1973一)，男，副研究员，硕士生导师，主要研究领域为卫星制造技术和卫星隐身材料技术。航天器环境工程第29卷其殇功惯量k_2．68kg·m2、勿_2．32kg·矗、1。--1．90kg·m2。2)解锁分离装置的刚度要求根据解锁分离装置对整星刚度贡献的评估，在完全约束条件下，携带卫星质量点的解锁分离装置在星箭连接界面的基频应满足如下要求：横向弯曲振动频率大于50Hz：扭转振动频率大于

7、65Hz；纵向振动频率大于90Hz。3)强度要求发射过程中，运载火箭作用于星箭连接界面的准静态载荷为纵向9g、横向29。要求在过载条件下解锁分离装置主结构所承受的最大应力小于材料的屈服强度与断裂强度／极限强度。1．2初样产品方案设计解锁分离装置初样产品高174mm，重13．6kg，三维结构如图1所示。整个结构由对接环、适配器、包带组件、爆炸螺栓组件和分离弹簧组件(未标出)组成。对接环与卫星连接，适配器与运载火箭连接，而包带组件、爆炸螺栓组件与分离弹簧组件一起用于卫星与火箭的连接和分离。f———吨／，，对接环图l解锁分禺装置三维结构图Fig．1Threedimens

8、ional