[发明专利]一种卫星用大转动惯量轻质复合飞轮及其制备方法

说明书

本发明提供一种卫星用大转动惯量轻质复合飞轮及其制备方法，涉及复合材料技术领域。本发明应用于金属与复合材料共固化整体成型复合材料构件，是实现卫星用轻质大转动惯量飞轮制备的关键技术。该复合飞轮包括金属环、碳纤维复合材料蒙皮、碳纤维复合材料加强环和泡沫筋条。成型模具为组合阴、阳模具+金属环限位工装组成，阳模具由钢质分瓣阳模块+硅橡胶软模组成，阴模具由整体凹模+硅橡胶软模块组成。复合飞轮的蒙皮、加强环筋条采用连续纤维预浸料实现预制体制作，再将金属环套在其外侧，利用热压工艺实现了复合飞轮的共固化成型。研制出的复合飞轮不仅满足减小轮体重量和离心力的刚度和强度的要求，还满足大转动惯量平衡稳定要求。

技术领域

本发明属于先进复合材料技术领域，涉及一种卫星用大转动惯量轻质复合飞轮及其制备方法。

背景技术

动量飞轮是用动量交换实现卫星的姿态控制及状态稳定，相比化学电池储能系统，它可以使卫星储能系统具有更高比能、高效率、高可靠性和宽工作温度范围等优点，可用于长寿命、高可靠卫星控制系统平台中。目前，卫星国产轮体均为一体式结构，多采用高强度钢制造，由于其轮体质量偏大，对旋转轴承要求较高，难以满足未来轻量化卫星平台和高转动惯量飞轮的使用要求，亟待研制一种轻量化、高阻尼抗振及动平衡稳定的轮体。

据目前查证的文献报道：上海航天控制技术研究所采用硬质铝合金材料作为轮毂，轮缘采用不锈钢材料，轮辐采用碳纤维复合材料T300方格布/T700单向布直接在铝合金轮毂上铺层成型，轮缘是采用后粘接工序安装在轮辐外制备；北京卫星制造厂采用T700S-12k-50C高强碳纤维缠绕成型复合材料转子坯件，借助工艺装置将其加工成尺寸精度高的转子，轮毂采用钛合金经精密加工而成，然后利用胶接技术将两者装配胶接成一体。以上报道虽然将复合材料应用在飞轮上，但对较大直径动量飞轮减重有限。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的上述缺陷，提供一种卫星用大转动惯量轻质复合飞轮及其制备方法，解决了卫星飞轮减重和大转动惯量需求的不匹配问题。本发明提供的卫星用大转动惯量轻质复合飞轮及其制备方法能够直接加工出满足转动惯量要求的卫星复合飞轮。

本发明解决技术的方案是：本发明的一种卫星用大转动惯量轻质复合飞轮，该复合飞轮包括金属环、碳纤维复合材料蒙皮、碳纤维复合材料加强环和泡沫筋条；碳纤维复合材料加强环呈圆环状，金属环位于整个飞轮的最外侧，碳纤维复合材料蒙皮位于所述加强环与金属环之间，泡沫筋条沿所述加强环的外边缘向外辐射且均匀分布在所述加强环与金属环之间用于增加飞轮的刚度。

在一可选实施例中，所述碳纤维复合材料蒙皮包括一平面、一圆环面、一圆柱面和凸出面；所述的平面与碳纤维复合材料加强环的一端面共面，所述的圆环面与所述的平面非共面，所述的圆柱面与金属环的内侧贴合；所述的凸出面在所述平面内侧，泡沫筋条外侧，贴合包覆在泡沫筋条表面；平面、圆环面、圆柱面和泡沫筋条包覆面为连续纤维制备。

在一可选实施例中，所述碳纤维复合材料蒙皮圆环面与平面之间的角度为 110°-160°。

在一可选实施例中，所述金属环的外圆，蒙皮圆柱面的内圆与碳纤维复合材料加强环的内圆共轴，同轴度0.05mm以内。

在一可选实施例中，所述金属环是殷钢、铍铜合金，或钛合金材质；碳纤维复合材料的增强体选用弹性模量不低于280GPa的碳纤维，树脂基体选用满足空间使用的环氧树脂或氰酸酯树脂，树脂的真空质损≤1％，可凝挥发份≤0.1％；泡沫是密度不低于70kg/m³的聚甲基丙烯酰亚胺PMI或聚酰亚胺PI闭孔泡沫，优选密度为110kg/m³的泡沫。

本发明的一种卫星用大转动惯量轻质复合飞轮制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设计成型模具为阴模具+阳模具+金属环限位工装组成的组合模具，阳模具由钢质分瓣阳模块+硅橡胶软模块组合而成，阴模具由整体凹模+硅橡胶软模块组合而成；