一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构的制作方法

1.本发明涉及一种卫星可展开高速碰撞拦阻式超结构及方法，特别是能够实现卫星在轨服役过程中对高速碰撞空间碎片等非合作目标有效拦截的防护超结构。


背景技术：

2.随着人类航天活动的不断增加，空间环境状态日益恶化，空间存在的大量碎片，具有方向不可控、速度极高、体积不规则和数量庞大等特点，对在轨航天器造成的安全威胁日趋增加，须利用高效、可重复展开收拢的防护结构，提高航天器空间碎片撞击防护能力，以保障卫星在轨安全性。
3.目前，空间碎片防护结构主要有单屏、双屏、多屏等非展开式或机械展开式刚性结构。航天器安装位置和空间有限，非展开式防护结构影响载荷布局，并增加热控、光学镀层等实施难度，不适合大面积采用，仍以展开式为主。whipple防护方案结构简单、安装空间小，但防护能力相对较低；填充whipple防护方案，通过填充层扑捉碎片云团，基于金属蜂窝、泡沫等防护材料，防护能力有限；其它多层防护结构，防护能力进一步增强，但安装空间增加，结构复杂。同时，从展开和收拢控制的可靠性和防护应用性等方面，半刚性结构具有一定优势。
4.基于增材制造的三维变密度超结构，可通过微观胞元设计，调整宏观杨氏模量和泊松比，能够在轻质高强的基础上提高承载能力，达到传统蜂窝、泡沫材料不具备的强抵御冲击的能力。
5.综上，传统空间防护结构设计无法兼顾高可靠、高效能与轻小型化，基于增材制造的材料与结构的一体化设计以及半刚性结构形式，是进一步提升防护结构性能的有效技术途径。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，提升航天器自身的在轨安全能力。
7.本发明的技术解决方案是：
8.一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，包括：
9.支架，连接于卫星本体，支架上设置有导轨；
10.防护屏，一端滑动连接于导轨、另一端通过收卷轴转动连接于支架；
11.驱动展开结构，连接于支架，用于带动防护屏的一端移动，从而使防护屏绕收卷轴转动而展开。
12.所述收卷轴连接有用于驱动自身转动的驱动件，驱动件用于驱动收卷轴转动而实现将防护屏收卷在收卷轴外；驱动件为电机。
13.所述驱动展开结构包括张开绳、以及对张开绳进行拉紧和放开的控绳组件，张开绳的一端连接于防护屏的一端，用于驱动防护屏的端部沿着导轨移动而展开或收起。
14.所述防护屏包括纤维网，以及均匀固定到纤维网上的多个防护单元。
15.所述防护单元包括依次连接的第一柔性层、捕获底层、吸能内层、高强表层、第二柔性层，第一柔性层与纤维网连接，防护屏展开时，第二柔性层位于纤维网背离卫星本体的一侧。
16.所述吸能内层包括多个超结构单元依次排列形成。
17.所述吸能内层为变密度梯度设置，沿着远离纤维网的方向，吸能内层的密度增加；不同密度的吸能内层包含的超结构单元的尺寸和分布密度不同。
18.所述超结构单元包括多个杆体连接，可采用一种或多种超材料单元类型，排布方式根据防护载荷冲击变量进行设计，超结构单元可选为体心立方、面心立方、或内凹十六面体等及其变形结构。
19.所述柔性层为编织成形的kevlar复合屏；高强表层与捕获底层为复合材料成形的高模量碳纤维复合材料；吸能内层为增材制造的铝合金超结构单元。
20.所述防护单元在纤维网上的分布间距满足：相邻的两个防护单元之间无弹道缝隙。
21.综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：
22.(1)设计结构具有更低的相对密度，满足卫星的轻量化需求(2)可展开结构能够重复展开，多次利用节约成本(3)考虑工艺的可现实性、变密度自适应生长，利于加工和获得高质量部件。
附图说明
23.图1为可重复展开拦阻式主动防护结构示意图；
24.图2为可重复展开拦阻式主动防护结构展开示意图；
25.图3为半刚性可展开防护屏示意图；
26.图4为防护单元示意图。
27.附图标记说明：1、卫星本体；2、支架；3、导轨；4、驱动展开结构；5、防护屏；6、防护单元；7、纤维网；8、第二柔性层；9、高强表层；10、吸能内层；11、捕获底层；12、第一柔性层。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述：
29.本技术实施例公开一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，如图1-图4所示，包括卫星本体1、支架2、导轨3、驱动展开结构4、防护屏5，
30.支架2连接于卫星本体1，支架2上设置有导轨3，防护屏5的一端滑动连接于导轨3、另一端通过收卷轴转动连接于支架2；驱动展开结构4连接于支架2，用于带动防护屏5滑动连接于支架2的一端移动，从而使防护屏5绕收卷轴转动而展开。
31.收卷轴连接有用于驱动自身转动的驱动件，驱动件用于驱动收卷轴转动而实现将防护屏5收卷在收卷轴外，本实施例中，驱动件为电机。
32.驱动展开结构4包括张开绳、以及对张开绳进行拉紧和放开的控绳组件，张开绳的端部连接于防护屏5滑动连接于导轨3的一端，用于驱动防护屏5的端部沿着导轨3移动而展开或收起。本实施例中，控绳组件可以包括电机、绕卷轮，绕卷轮连接于电机的输出轴，张开
绳绕设在绕卷轮上，电机驱动绕卷轮正向或反向转动，实现对张开绳的收卷和放开，从而张开绳能够对防护屏进行拉动而张开。
33.驱动件、收卷轴和驱动展开结构4配合，实现对防护屏5的收卷和展开。当卫星本体1检测到空间碎片时，驱动展开结构4驱动防护屏5展开，当卫星本体1检测到当前空间没有空间碎片时，驱动件驱动收卷轴转动、同时驱动展开结构4放开防护屏5，防护屏5被收卷起来，实现了基于空间碎片动能分布进行防护屏5的收卷和展开。
34.防护屏5包括纤维网7和多个防护单元6，多个防护单元6均匀固定到纤维网7上，防护单元6在纤维网7上的分布间距满足：相邻的两个防护单元6之间无弹道缝隙。
35.防护单元6包括依次设置的第一柔性层12、捕获底层11、吸能内层10、高强表层9、第二柔性层8，第一柔性层12与纤维网7粘接连接，防护屏5展开时，第二柔性层8位于纤维网7背离卫星本体1的一侧。吸能内层10包括多个超结构单元依次排列形成。吸能内层10为变密度梯度设置，沿着远离纤维网7的方向，吸能内层10的密度增加；不同密度的吸能内层10包含的超结构单元的尺寸和分布密度不同。
36.超结构单元包括多个杆体连接，可采用一种或多种超材料单元类型，排布方式根据防护载荷冲击变量进行设计，超结构单元可选为体心立方、面心立方、或内凹十六面体及其变形结构。
37.本实施例中，柔性层为编织成形的kevlar复合屏；高强表层9与捕获底层11为复合材料成形的高模量碳纤维复合材料；吸能内层10为增材制造的铝合金超结构单元。本实施例中的铝合金超结构单元的结构为：体心立方单元，单元尺寸为7.5mm，由两部分变密度单元一体成形，高密度单元尺寸为3.75mm。
38.一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构的增材设计与实现方法包括：
39.步骤1：利用结构力学、动力学以及复合材料等多学科融合，开展高能量吸收比宏微观一体化增材制造超结构设计。
40.步骤2：利用有限元分析法，优化三维变密度缓冲吸能防护层，进行多种复合材料高速碰撞破碎层的优化设计，设计高速防碰撞防护单元6的结构，设计无弹道缝隙的连接组合方式。
41.步骤3：对半刚性防护屏5可重复展开收拢机构进行方案设计和优选。
42.步骤4：根据高速碰撞防护结构柔性层、高强表面、吸能内层10和捕获底层11等的不同防护需求，柔性层选用编织成形的kevlar复合屏，高强表层9与捕获底层11选用复合材料成形的高模量碳纤维复合材料，吸能内层10使用增材制造的铝合金超结构填充单元，进行半刚性、多材料体融合的复合材料一体化防护结构设计。
43.步骤5：利用地面高速撞击试验装置，开展防护结构单元及防护结构面板的高速撞击试验，对防护结构单元及防护面板抗空间高速粒子冲击的可靠性做出评估。
44.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。
45.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：包括支架(2)，连接于卫星本体(1)，支架(2)上设置有导轨(3)；防护屏(5)，一端滑动连接于导轨(3)、另一端通过收卷轴转动连接于支架(2)；驱动展开结构(4)，连接于支架(2)，用于带动防护屏(5)的一端移动，从而使防护屏(5)绕收卷轴转动而展开。2.根据权利要求1所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述收卷轴连接有用于驱动自身转动的驱动件，驱动件用于驱动收卷轴转动而实现将防护屏(5)收卷在收卷轴外。3.根据权利要求1所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述驱动展开结构(4)包括张开绳、以及对张开绳进行拉紧和放开的控绳组件，张开绳的一端连接于防护屏(5)的一端，用于驱动防护屏(5)的端部沿着导轨(3)移动而展开或收起。4.根据权利要求1所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述防护屏(5)包括纤维网(7)，以及均匀固定到纤维网(7)上的多个防护单元(6)。5.根据权利要求4所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述防护单元(6)包括依次连接的第一柔性层(12)、捕获底层(11)、吸能内层(10)、高强表层(9)、第二柔性层(8)，第一柔性层(12)与纤维网(7)连接，防护屏(5)展开时，第二柔性层(8)位于纤维网(7)背离卫星本体(1)的一侧。6.根据权利要求5所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述吸能内层(10)包括多个超结构单元依次排列形成。7.根据权利要求5所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述吸能内层(10)为变密度梯度设置，沿着远离纤维网(7)的方向，吸能内层(10)的密度增加；不同密度的吸能内层(10)包含的超结构单元的尺寸和分布密度不同。8.根据权利要求6所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述超结构单元包括多个杆体连接，可采用一种或多种超材料单元类型，排布方式根据防护载荷冲击变量进行设计，超结构单元可选为体心立方、面心立方、或内凹十六面体及其变形结构。9.根据权利要求1所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述柔性层为编织成形的kevlar复合屏；高强表层(9)与捕获底层(11)为复合材料成形的高模量碳纤维复合材料；吸能内层(10)为增材制造的铝合金超结构单元。10.根据权利要求4所述的一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，其特征在于：所述防护单元(6)在纤维网(7)上的分布间距满足：相邻的两个防护单元(6)之间无弹道缝隙。

技术总结
本申请公开了一种卫星可展开高速碰撞拦阻式防护超结构，涉及卫星防护结构领域，支架，连接于卫星本体，支架上设置有导轨；防护屏，一端滑动连接于导轨、另一端通过收卷轴转动连接于支架；驱动展开结构，连接于支架，用于带动防护屏的一端移动，从而使防护屏绕收卷轴转动而展开。提升了航天器自身的在轨安全能力。提升了航天器自身的在轨安全能力。提升了航天器自身的在轨安全能力。


技术研发人员：祁俊峰 李敬洋 王哲 张建斌 陈怡 郭立 高战蛟 巩维艳 杜锴 邓浩 刘济州 朱敏
受保护的技术使用者：北京卫星制造厂有限公司
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/6/28