一种板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构的制作方法

1.本发明涉及一种板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，适用于需要安装大型有效载荷的航天器主结构，属于航天器结构技术领域。
技术背景
2.遥感卫星舱段连接结构是卫星平台与各种大型遥感载荷之间的过渡结构，由于遥感任务的多样化，且随着大型遥感卫星精度的越来越高，要求卫星舱段连接结构应具有对不同载荷适应性好、大承载(不小于2500kg)、高稳定性(在轨热变形不大于50μm)。
3.大型遥感卫星一般携带多个大型相机，主要相机载荷一般布置在星体顶部或者载荷舱底部，与运载火箭的接口较普遍采用包带式星箭解锁装置。上述任务特点和构型布局约束下，国内外大型遥感卫星的主结构以“筒壳+箱板式”或“筒壳+桁架式”为主的多舱段结构，服务舱为承力筒+箱板式结构，载荷舱为箱板式或桁架式结构。其中，载荷舱底板作为载荷舱的构造基础、大型载荷的支撑结构时，为满足载荷舱与服务舱的可靠连接，适应较高刚度、高强度、重量轻的要求，国内外许多卫星载荷舱底板常采用框架板式结构(也可称为“平面构架结构”)，如法国的spot的卫星、中国“资源二号”卫星载荷舱底板等。
4.框架板式结构作为两舱的连接结构，具有较高的刚度、强度、便于操作、可适应多种机械接口，但受框架板式结构的特点所限：
5.1)框架板式结构弯曲刚度有限难以适应超大型载荷的安装需求，为适应大载荷，需大载荷作用位置需增加接近正交的两根梁来传递三向载荷，梁的构型布局设计相对复杂，载荷安装面扩展时受力复杂导致有效载荷安装面扩展性较差；
6.2)框架板式结构高度较高一般在1m以上,使得整星质心高度较高，不利于大型载荷的承载；
7.3)框架板式结构，由于结构板还同时具有安装仪器设备的功能，而仪器设备一般有散热需求，使得结构板难以全部用低热膨胀系数的碳纤维材料，并且对冷空间的面积较大不利于精密温控，因此导致结构板的热变形较大，尺寸稳定性较差。对于框架板式结构，铝蜂窝板温度变化不小于
±
20℃，高度不小于1m，因此框架板式外板的热变形不小于2.4
×
10-5
×
20
×
1＝48
×
10-5
m＝480μm。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供一种板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，该结构克服现有“框架板式舱段连接结构”技术的不足，提供一种大承载、高刚度、载荷安装面易于扩展，高度较低，高尺寸稳定性的舱段连接结构，满足大型遥感卫星舱段连接、大型载荷的支撑结构需求。
9.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
10.一种板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，包括筒壳、承力框架、变截面端框、框架与筒壳连接片、框架与筒壳连接角盒及筒壳根部连接件；其中，筒壳固定于所述变截面
端框上，所述承力框架穿过所述筒壳固定于所述变截面端框上；所述筒壳与所述承力框架之间通过所述框架与筒壳连接片及框架与筒壳连接角盒连接；所述筒壳与所述变截面端框之间通过筒壳根部连接件连接，且所述筒壳根部设有筒壳根部隔热垫；所述筒壳上设有与推进服务舱的连接接口，所述承力框架提供大型载荷设备的安装接口和载荷舱段的接口，所述变截面端框可提供小型设备、支架的安装接口。
11.进一步地，本发明所述筒壳包括筒壳下法兰、筒壳柱段及筒壳上法兰，在筒壳柱段、筒壳上法兰与承力框架相交的位置开设深槽与宽槽。
12.进一步地，本发明所述承力框架包括2根主梁、2根次梁和2根辅梁；2根主梁平行布局，之间的间距可根据不同的载荷接口调整；2根次梁和2根辅梁平行布局，且与2根主梁垂直，之间的间距可根据不同的载荷接口调整；主梁采用“工”字型截面；主梁、次梁采用等腰梯形设计，主梁、次梁侧面和辅梁高度较低。
13.进一步地，本发明所述大型载荷设备的4组安装点设置在主梁、次梁相交的位置，另外4组安装点2001在主梁端部；载荷舱段的接口部分设置在次梁、辅梁上。
14.进一步地，本发明所述变截面端框包括端面、加强翻边组成，端面上留有大型载荷设备的安装接口、载荷舱段的接口的螺钉连接避让孔。
15.本发明和现有技术相比有益效果如下：
16.第一，本发明板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，充分发挥各结构构件的受载优势，大型载荷设备、载荷舱段结构的纵向载荷通过承力框架传递到筒壳并扩散为均匀载荷；大型载荷设备、载荷舱段结构的横向载荷以两种形式向下传递：一种是剪切力，剪切力主要通过变截面端框传递到筒壳；另一种是通过弯矩转化为局部的拉压力，拉压力则通过承力框架传递到筒壳，用板、壳、梁各结构的受载优势，实现将复杂集中大载荷、方形舱段载荷化解为筒壳端框均匀载荷。
17.第二，本发明整体刚度高，承载能力强，载荷安装面易于扩展。采用板壳梁组件结合的形式，发挥各结构构件的受载优势，结构具有较高的三向刚度和强度，结构的法向刚度取决于承力框架、筒壳结构设计参数，横向刚度取决于变截面端框、承力框架、筒壳结构设计参数。可通过提高承力框架和筒壳结构的高度，大幅提高结构法向刚度。高效实现一种方圆过渡结构形式。
18.第三，本发明利用板、壳、梁各结构的受载优势，实现将复杂集中大载荷、方形舱段载荷化解为筒壳端框均匀载荷。板壳梁组合式舱段连接结构的设计，承力框架2根主梁之间的间距，2根次梁之间的间距和2根辅梁之间的间距可根据大型载荷以及舱段结构的布局位置和接口形式调整，除承力框架可安装大型载荷设备和舱段结构外，筒壳结构也可作为大型载荷设备、舱段结构、贮箱等结构的安装接口。整个结构扩展性强，可强适应多种载荷接口和任务需求。
19.第四，本发明高度低，在相同有效载荷的条件下，传统框架板式结构高度较高一般在1m以上，而本发明的卫星舱段连接结构高度不大于450mm。
20.第五，与框架板式结构相比，没有安装大热耗电子设备的功能，可使用低热膨胀系数的复合材料，结构形式也适应复合材料结构成型；另一方面，本发明的侧面高度较低，侧面对冷空间的面积小，便于整体精密温控。因此本发明的尺寸稳定性较高。本发明的控温精度为
±
5℃，最大横向尺寸为4m，最大热变形为1
×
10-6
×5×
4＝2
×
10-5
m＝20μm，只有传统
框架板式结构的热变形的1/24。
附图说明
21.图1为板壳梁组合式舱段连接结构示的仰视图；
22.图2为板壳梁组合式舱段连接结构示的俯视图；
23.图3为筒壳结构示意图；
24.图4为承力框架结构示意图；
25.图5为变截面端框示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实例进行详细说明。
27.如图1-2所示，一种板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，包括筒壳1、承力框架2、变截面端框3、框架与筒壳连接片4、框架与筒壳连接角盒5及筒壳根部连接件；其中，筒壳1固定于所述变截面端框3上，所述承力框架2穿过所述筒壳1固定于所述变截面端框3上；所述筒壳1与所述承力框架2之间通过所述框架与筒壳连接片4及框架与筒壳连接角盒5连接；所述筒壳1与所述变截面端框3之间通过筒壳根部连接件连接，且所述筒壳1根部设有筒壳根部隔热垫；所述筒壳1上设有与推进服务舱的连接接口1011，所述承力框架提供大型载荷设备的安装接口2001和载荷舱段的接口2002，所述变截面端框3可提供小型设备、支架的安装接口。
28.在具体实施时，板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构的装配以筒壳1下端面为装配基准，筒壳1与承力框架2通过框架与筒壳连接片4、框架与筒壳连接角盒5胶接连接并采用连接紧固件螺接，筒壳1、承力框架2与变截面端框3之间通过胶接连接，同时在筒壳1与变截面端框3之间设置筒壳根部连接件连接连接。大型载荷设备、载荷舱段结构的纵向载荷通过承力框架2传递到筒壳1并扩散为均匀载荷；大型载荷设备、载荷舱段结构的横向载荷以两种形式向下传递：一种是剪切力，剪切力主要通过变截面端框3传递到筒壳1；另一种是通过弯矩转化为局部的拉压力，拉压力则通过承力框架2传递到筒壳1。采用板壳梁组件结合的形式，发挥各结构构件的受载优势，结构具有较高的三向刚度和强度。
29.如图3所示，筒壳1包括筒壳下法兰101、筒壳柱段102、筒壳上法兰103，筒壳上法兰101提供与推进服务舱的连接接口1011。舱段连接结构的装配需要承力框架2穿过筒壳1，为了满足装配连接需求，在筒壳柱段102、筒壳上法兰103与承力框架相交的位置开设深槽1021与宽槽1031。筒壳的主要功能是将舱段连接结构的各主要构件组装集成为一个整体，与推进服务舱进行连接，承受纵向、横向以及扭转载荷。
30.如图4所示，承力框架包括2根主梁201、2根次梁202和2根辅梁203。2根主梁201平行布局，之间的间距可根据不同的载荷接口调整；2根次梁202和2根辅梁203平行布局，且与2根主梁201垂直，之间的间距可根据不同的载荷接口调整；承力框架的集中受力点为大型载荷设备的安装接口2001、载荷舱段的接口2002，构型设计时根据接口2001和2002的需要，整体构型上采用“井”字型构型。主梁采用“工”字型截面；主梁、次梁采用等腰梯形设计，主梁、次梁侧面和辅梁高度较低；大型载荷设备的4组安装点2001设置在主梁201、次梁202相交的位置，局部连接刚度好，另外4组安装点2001在主梁端部；载荷舱段的接口2002部分设
置在次梁202、辅梁203上。为了满足装配连接需求，在承力框架主梁202、次梁202与筒壳相交的位置开设槽2003。
31.如图5所示，变截面端框3包括端面301、加强翻边302组成。端面301上留有大型载荷设备的安装接口2001、载荷舱段的接口2002的螺钉连接避让孔3001。由于舱段连接结构的尺寸很大，其径向刚度较弱，变截面端框可有效提高舱段连接结构的径向刚度以及扭转刚度，并传递有效载荷、载荷舱段的横向载荷。
32.本发明设计板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，具有如下特点：
33.第一，结构构型设计上采用筒壳、变截面端框、承力框架组合的板壳梁形式。纵向载荷通过承力框架传递到筒壳并扩散为均匀载荷；横向载荷以两种形式向下传递：一种是剪切力，剪切力主要通过变截面端框传递到筒壳；另一种是通过弯矩转化为局部的拉压力，拉压力则通过承力框架传递到筒壳。
34.第二，提供一种方圆过渡结构形式，利用板、壳、梁各结构的受载优势，实现将复杂集中大载荷、方形舱段载荷化解为筒壳端框均匀载荷。即发挥承力框架中弯曲梁、变截面端框中剪切板、筒壳结构整体承载拉压/弯曲/剪切载荷能力强且载荷均匀特点。
35.第三，承力框架2根主梁201平行布局，之间的间距可根据不同的载荷接口调整，2根次梁202和2根辅梁203平行布局，且与2根主梁201垂直，之间的间距可根据不同的载荷接口调整；除承力框架可安装大型载荷设备和舱段结构外，筒壳结构也可作为大型载荷设备、舱段结构、贮箱等结构的安装接口。结构扩展性强，可强适应多种载荷接口和任务需求。
36.第四，通过在筒壳结构柱段开设深槽、上翻边开设宽槽实现舱段连接结构的装配时承力框架穿过筒壳的装配需求；通过框架与筒壳连接片、框架与筒壳连接角盒高效实现筒壳与框架的连接。筒壳、板、框架结构构件形式较简单，通过结构的装配即可实现，制造可达性强。
37.第五，舱段连接结构的尺寸很大，面临径向刚度较弱的问题时，通过增加变截面端框可有效提高舱段连接结构的径向刚度以及扭转刚度，并传递有效载荷、载荷舱段的横向载荷。
38.第六，采用的一种“井字型”主承力框架结构形式的复合材料板壳梁舱段连接结构，结构外形尺寸达到3280mm
×
2800mm
×
450mm,在直接负载2500kg大型相机的情况下，通过航天器整器力学分析、热稳定性分析和尺寸稳定性分析，均满足要求。
39.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，其特征在于，包括筒壳、承力框架、变截面端框、框架与筒壳连接片、框架与筒壳连接角盒及筒壳根部连接件；其中，筒壳固定于所述变截面端框上，所述承力框架穿过所述筒壳固定于所述变截面端框上；所述筒壳与所述承力框架之间通过所述框架与筒壳连接片及框架与筒壳连接角盒连接；所述筒壳与所述变截面端框之间通过筒壳根部连接件连接，且所述筒壳根部设有筒壳根部隔热垫；所述筒壳上设有与推进服务舱的连接接口，所述承力框架提供大型载荷设备的安装接口和载荷舱段的接口，所述变截面端框提供小型设备、支架的安装接口。2.根据权利要求1所述板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，其特征在于，所述筒壳包括筒壳下法兰、筒壳柱段及筒壳上法兰，在筒壳柱段、筒壳上法兰与承力框架相交的位置开设深槽与宽槽。3.根据权利要求1所述板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，其特征在于，所述承力框架包括2根主梁、2根次梁和2根辅梁；2根主梁平行布局，之间的间距可根据不同的载荷接口调整；2根次梁和2根辅梁平行布局，且与2根主梁垂直，之间的间距可根据不同的载荷接口调整；主梁采用“工”字型截面；主梁、次梁采用等腰梯形设计，主梁、次梁侧面和辅梁高度较低。4.根据权利要求3所述板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，其特征在于，所述大型载荷设备的4组安装点设置在主梁、次梁相交的位置，另外4组安装点2001在主梁端部；载荷舱段的接口部分设置在次梁、辅梁上。5.根据权利要求1-4中任一项所述板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，其特征在于，所述变截面端框包括端面、加强翻边组成，端面上留有大型载荷设备的安装接口、载荷舱段的接口的螺钉连接避让孔。

技术总结
本发明提供一种板壳梁组合式大承载卫星舱段连接结构，满足大型遥感卫星舱段连接、大型载荷的支撑结构需求；包括筒壳、承力框架、变截面端框、框架与筒壳连接片、框架与筒壳连接角盒及筒壳根部连接件；其中，筒壳固定于所述变截面端框上，所述承力框架穿过所述筒壳固定于所述变截面端框上；所述筒壳与所述承力框架之间通过所述框架与筒壳连接片及框架与筒壳连接角盒连接；所述筒壳与所述变截面端框之间通过筒壳根部连接件连接，且所述筒壳根部设有筒壳根部隔热垫；所述筒壳上设有与推进服务舱的连接接口，所述承力框架提供大型载荷设备的安装接口和载荷舱段的接口，所述变截面端框可提供小型设备、支架的安装接口。支架的安装接口。支架的安装接口。


技术研发人员：史海涛 杨强 张立新 高洪涛 张晓峰 刘希刚 李少辉 景泉
受保护的技术使用者：中国空间技术研究院
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/4/25