[发明专利]泡沫夹芯碳纤维飞轮及其制造方法

说明书

本发明涉及高空气球附属设备技术领域，公开了一种泡沫夹芯碳纤维飞轮及其制造方法，其中泡沫夹芯碳纤维飞轮包括由内至外依次间隔且同轴设置的飞轮内环、飞轮中环和飞轮外环，还包括沿飞轮外环的径向设置于飞轮内环和飞轮外环之间的多个辐条，多个辐条沿飞轮外环的周向均匀分布；飞轮内环为碳纤维复合材料实心结构，飞轮中环、飞轮外环和辐条均为碳纤维复合材料空心结构，且碳纤维复合材料空心结构的内部填充有泡沫芯材；还包括多个连接于飞轮外环的配重块，多个配重块沿飞轮外环的周向均匀分布。该泡沫夹芯碳纤维飞轮具有优异的力学性能，实现了飞轮本体结构最大限度的减重设计要求，泡沫芯填充设计有效的提高了飞轮转动过程中的扭转刚度。

技术领域

本发明涉及高空气球附属设备技术领域，尤其涉及一种泡沫夹芯碳纤维飞轮及其制造方法。

背景技术

高空气球又称高空科学气球，是指在平流层飞行的无动力浮空器，由于高空气球造价低廉、组织飞行方便、试验周期短，因此越来越受到科学工作者的青睐。通常高空气球在正常工作时，需要对其方位姿态进行控制，以保证其上搭载的设备可以稳定工作，通常需要使用反作用飞轮系统，通过电机调整飞轮转速，利用飞轮角动量变化产生的反作用力矩实现高空气球方位角的稳定和调整。

目前，大体积高空球姿控飞轮主要采用钢结构设计，当飞轮转动惯量设计值较大时，将会付出较大的重量代价，一方面要将飞轮的转动半径尽量扩大以此满足较大的转动惯量要求，另一方面，为了保证结构整体刚度，连接外环的辐条数量和重量也会相应增加，从而带来不必要的附加重量。另外，为了保证飞轮整体的轴向和面内动平衡性能，对飞轮的加工精度也提出了较高的要求。

发明内容

本发明实施例提供一种泡沫夹芯碳纤维飞轮及其制造方法，用以解决现有的飞轮结构重量过大、难以兼顾轻量化和动态承载能力的问题。

本发明实施例提供一种泡沫夹芯碳纤维飞轮，包括由内至外依次间隔且同轴设置的飞轮内环、飞轮中环和飞轮外环，还包括沿所述飞轮外环的径向设置于所述飞轮内环和所述飞轮外环之间的多个辐条，多个所述辐条沿所述飞轮外环的周向均匀分布；所述飞轮内环为碳纤维复合材料实心结构，所述飞轮中环、所述飞轮外环和所述辐条均为碳纤维复合材料空心结构，且所述碳纤维复合材料空心结构的内部填充有泡沫芯材；

还包括多个连接于所述飞轮外环的配重块，多个所述配重块沿所述飞轮外环的周向均匀分布。

其中，所述飞轮内环的中心还预埋有传动接头，所述传动接头内设有带连接键槽的轴孔，所述传动接头与所述飞轮内环连接的一侧设有多个沿所述传动接头的周向间隔分布的纵向凹槽和多个沿所述传动接头的轴向间隔分布的环向凹槽。

其中，所述纵向凹槽和所述环向凹槽均为等截面凹槽。

其中，所述传动接头为钛合金接头。

其中，所述飞轮中环包括同轴设置的第一飞轮中环和第二飞轮中环，所述飞轮内环、所述第一飞轮中环、所述第二飞轮中环和所述飞轮外环之间的径向间距相同。

其中，所述辐条与所述飞轮内环、所述飞轮中环和所述飞轮外环连接的交叉部均设置有倒角过渡段。

其中，所述泡沫芯材为PMI泡沫塑料。

本发明实施例还提供一种制造如上述所述的泡沫夹芯碳纤维飞轮的制造方法，包括：

将碳纤维复合材料按所述泡沫夹芯碳纤维飞轮的预设横截面形状沿所述泡沫夹芯碳纤维飞轮的高度方向连续铺设至预设高度，在飞轮外环、飞轮中环和辐条处形成用于安装泡沫芯材的凹槽；

在所述凹槽内安装预制成型的所述泡沫芯材，继续沿所述泡沫夹芯碳纤维飞轮的高度方向连续铺设所述碳纤维复合材料；

待整体的铺设厚度达到所述泡沫夹芯碳纤维飞轮的设计高度时，实施模压一体成型工艺；

在所述飞轮外环的周向上均匀地安装多个配重块。