碳纖維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用
碳纖維鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)以其高強(qiáng)度、高剛度的優(yōu)良性能在國內(nèi)外衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前,該衛(wèi)星的主要結(jié)構(gòu)部件,如太陽能電池陣列結(jié)構(gòu)、拋物面天線和SAR天線、中央軸承筒、各種載荷艙和儀表安裝板,均采用碳纖維蜂窩夾層結(jié)構(gòu),有效降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高了結(jié)構(gòu)的剛度,大大降低了衛(wèi)星發(fā)射成本。
1、 太陽能電池板
衛(wèi)星上有兩種太陽能電池陣列結(jié)構(gòu):體裝式和可展開式。體上太陽能電池陣列結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星體連接,或是衛(wèi)星體的一部分。它是由碳纖維復(fù)合板和鋁蜂窩芯組成的夾層結(jié)構(gòu)。電池陣列的形式隨衛(wèi)星體的結(jié)構(gòu)形狀而變化,包括多面體或圓柱體。
由于安裝在機(jī)身上的電池陣列可用于放置太陽能電池的面積有限,因此通常僅適用于功耗小于500W的小型衛(wèi)星。高功率要求的衛(wèi)星采用可展開式太陽能電池陣列。為了滿足衛(wèi)星對大功率能源的需求,需要更大面積的太陽能電池陣列。因此,大面積太陽能電池陣列應(yīng)延伸到衛(wèi)星體外,以接受太陽光照射。當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射時(shí),太陽能電池陣列被折疊在衛(wèi)星的機(jī)身上。衛(wèi)星與運(yùn)載火箭分離后,太陽能電池陣列在空間軌道上擴(kuò)展到工作狀態(tài)。可展開太陽能電池陣有兩種結(jié)構(gòu)形式,一種是剛性結(jié)構(gòu),另一種是半剛性結(jié)構(gòu)。
2、 衛(wèi)星天線
使用衛(wèi)星通信時(shí),天線是最重要的部件。由于衛(wèi)星工作環(huán)境溫差大,天線的結(jié)構(gòu)要求是其形狀和位置不能隨外界溫度的變化而變化。由碳纖維復(fù)合材料板和鋁蜂窩芯組成的夾層結(jié)構(gòu)在這方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。它具有較高的剛度和強(qiáng)度,能夠承受運(yùn)載火箭發(fā)射過程中的靜、動(dòng)載荷。無需額外的金屬蓋,即可達(dá)到所需的微波反射特性。特別是,關(guān)鍵是這種結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計(jì)獲得零膨脹系數(shù)。當(dāng)衛(wèi)星環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時(shí),其形狀和姿態(tài)可以保持穩(wěn)定。因此,碳纖維板和鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)是拋物面天線和SAR天線的材料。
3、 衛(wèi)星機(jī)身結(jié)構(gòu)
衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)的主軸承筒和內(nèi)部儀表安裝板幾乎都采用了碳纖維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合板和鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)不僅具有良好的結(jié)構(gòu)性能,而且其粘結(jié)層和蜂窩腔具有良好的隔熱隔音功能,可以滿足某些設(shè)備的隔熱消聲要求。這種夾層結(jié)構(gòu)還具有減震和吸能功能,可作為衛(wèi)星回收的緩沖裝置。因此,夾層結(jié)構(gòu)在衛(wèi)星機(jī)身上的使用位置比較常見。Intelsat V的中央軸承氣缸的上部為氣缸,下部為圓錐體。均采用碳纖維復(fù)合板和鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。與原來的鋁合金軸承氣缸相比,質(zhì)量降低了27%,增加了2000多條通信線路,增加不到30%。