[发明专利]百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法

说明书

本发明公开了一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，这种百公斤级卫星借助四点固定式分离机构固定于运载火箭，包含常见的星载单机，并配置一个固体推进系统用于本卫星的在轨机动。本发明通过分析总装单机布局要求确定各个舱板的设计方式，将拓扑优化设计的舱板与常规设计的舱板相结合，设计了满足工况要求的一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构。本发明创新点在于：通过合理的拓扑优化的舱板和常规设计的舱板相结合的设计，在满足各个工况条件的基础上，设计了一种易机加工、生产制作周期短、铝合金材质的轻型百公斤级微小卫星的主承力框架结构。

技术领域

本发明涉及空间科学、结构设计领域，尤其是涉及一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法。

背景技术

1957年10月4日，第一个人造地球卫星由苏联发射上太空，这标志着人类进入了太空时代。20世纪80年代以来，随着微电子、微机械、轻型材料、精密加工和高效能源等基础技术的迅速发展，促进了星载遥感器、探测器、通信转发器、计算机以及保障系统仪器、设备、部件的小型化，使得卫星小型化在世界上成为航天领域的热点。

现代微小卫星不是传统卫星的按比例缩小，而是对传统卫星技术的突破、变革和集成、改进后的产物，是当今空间技术、电子技术、计算机技术、光学技术及遥感技术高度综合的结晶。现代微小卫星的本质在于它是一种具有高功能密度的小卫星，功能与同类大卫星相当，其尺寸与重量相对于传统卫星要低几个数量级。按照质量对卫星进行划分，有以下几类：

表1

现代小卫星具有许多大卫星所无法比拟的优点。发射方式灵活可靠，能够机动发射、生存能力强，工作轨道高度低；体积小，重量轻，功能密度高，系统投资少；结构简单、设计研制开发周期短、制造要求条件不高，风险小，可以采用标准化星体和模块化设计，从而可以批量生产和存储，便于即时发射和补充。

结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式，而结构形式包括了关于尺寸、形状和拓扑等信息。对于试图产生超出设计者经验的有效的新型结构来说，优化是一种很有价值的工具。优化的目标通常是求解具有最小重量的结构，同时必须满足一定的约束条件，以获得最佳的静力或动力等性态特征。其中拓扑优化是指寻求结构刚度在设计空间最佳的分布形式或结构最佳的传力形式，其主要用于求解工程结构受力、位移等的最合理形式，有助于发掘目前还未知的最优结构拓扑。拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设计空间最佳的分布形式，或在设计域空间寻求结构最佳的传力路线形式，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。

卫星结构有杆系结构、板式结构、壳体结构等，而现有百公斤级卫星多为蜂窝箱板式结构，由于其埋件分布的特殊性，使得卫星用蜂窝板加工周期长。为本发明设计的结构舱板为纯金属结构，加工周期可以压缩至2周以内，降低了生产成本且不需要详细对舱板上的各掏空部分进行出图，大大降低了设计工作量和加工生产时间，使得百公斤级卫星工厂成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，通过合理的拓扑优化的舱板和常规设计的舱板相结合的设计，在满足各个工况条件的基础上，设计了一种易机加工、生产制作周期短、铝合金材质的轻型百公斤级微小卫星的主承力框架结构，使得加工周期大大缩短，将加工周期控制在了两周以内。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，步骤如下：

步骤1，分析总装布局要求，结构坐标系方向与总体坐标系布局一致，+X 方向为卫星在轨飞行方向，+Z方向为卫星在轨飞行对地方向，+Y由+X和+Z由右手法则确定。

所述百公斤级微小卫星的主承力框架由7个舱板构成，分别为-X舱板、+X 舱板、中X舱板、-Y舱板、+Y舱板、-Z舱板和+Z舱板；+Y舱板、-Z舱板、-Y舱板和+Z舱板均为长方形，并沿顺时针方向围成两端开口的子框架，-X舱板、中X舱板和+X舱板依次等间距设置在子框架内，其中-X舱板和+X舱板位于子框架的开口端。