航天器結(jié)構(gòu)

航天器各個(gè)受力和支承構(gòu)件的總成。它的作用是安裝、連接各種儀器設(shè)備和動(dòng)力裝置，滿足它們所需要的環(huán)境要求，承受地面操作、發(fā)射、軌道飛行和返回地面時(shí)的外力，并保持航天器的完整性。對(duì)航天器結(jié)構(gòu)的基本要求是重量小、可靠性高、成本低等，通常用結(jié)構(gòu)質(zhì)量比，即結(jié)構(gòu)重量占航天器總重的比例來(lái)衡量航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的水平，這個(gè)比值越小表示水平越高。航天器任務(wù)的多樣性決定航天器結(jié)構(gòu)形式的多樣性。航天器結(jié)構(gòu)一般分為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、空間探測(cè)器結(jié)構(gòu)、載人飛船結(jié)構(gòu)和航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)(圖1 )。早期近地軌道衛(wèi)星大多為固定式結(jié)構(gòu)。為了增加航天器的功能和擴(kuò)大航天器的尺寸，現(xiàn)代衛(wèi)星和空間探測(cè)器也采用一些可展開式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在發(fā)射時(shí)藏在運(yùn)載火箭的有限容積內(nèi)，到了空間展開成較大的結(jié)構(gòu)。需要返回地面的航天器,特別是載人飛船,對(duì)結(jié)構(gòu)又有新的要求，從而形成與再入防熱、著陸、救生、生命保障等要求相適應(yīng)的許多特殊結(jié)構(gòu)形式。隨著航天飛機(jī)的誕生，又出現(xiàn)了兼有飛機(jī)、火箭和航天器特性的新型結(jié)構(gòu)。 衛(wèi)星結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但從功能上看大都由承力部件、外殼、安裝部件、天線、太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)、防熱結(jié)構(gòu)、分離連接裝置組成。為了達(dá)到多用途和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，后又發(fā)展出公用艙結(jié)構(gòu)(見(jiàn)航天器設(shè)計(jì))。

承力部件 它與運(yùn)載火箭相連接，承受發(fā)射過(guò)程中的推力和彎矩。因而需要有很高的強(qiáng)度和剛度。承力部件有以下幾種形式:薄壁圓柱(或截錐)殼、波紋或蜂窩夾層圓柱(或截錐)殼、桿件組成的支架等。承力部件采用鋁合金、鈦合金和碳纖維復(fù)合材料等。

外殼 它處于衛(wèi)星的最外層,形成衛(wèi)星的外表面,也可兼作承力構(gòu)件。外殼的形狀多種多樣，如球形、多面柱形、錐形和各種不規(guī)則的多面體等。除維持外形外，外殼還應(yīng)滿足表面積、熱控制、衛(wèi)星內(nèi)容積、各種表面開孔、空間輻射防護(hù)等要求。外殼的結(jié)構(gòu)形式有:①半硬殼結(jié)構(gòu):由薄的外蒙皮、桁條、隔框等組裝而成。外蒙皮的常用材料是鋁合金，根據(jù)熱控制要求經(jīng)過(guò)必要的表面處理，如拋光、噴漆、鍍金等。桁條和隔框常用鋁合金型材制成，也有用鎂鑄件的。②蜂窩結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu):一般由鋁合金制成?，F(xiàn)代也采用碳纖維復(fù)合材料作為表板材料。③整體結(jié)構(gòu):由機(jī)械銑切或化學(xué)銑切等整體壁板組裝而成，它能減少半硬殼結(jié)構(gòu)所需的鉚接工作量并容易獲得良好的剛度。④柔性張力表面結(jié)構(gòu):由張緊的柔性薄膜制成。如氣球式衛(wèi)星的外表面。

安裝部件 結(jié)構(gòu)型式可以是儀器艙、盤式構(gòu)件或支架(圖2)。安裝部件的功能是保證儀器設(shè)備安裝的各種要求，如安裝精度、密封性、熱控制、防振、防磁等。為了保證足夠高的剛度，可采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、波紋夾層結(jié)構(gòu)、鑄造或機(jī)械銑削的整體壁板和由型材組裝的支架等。儀器安裝面積不足時(shí)，可采用多層或多面的安裝部件。 太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu) 安裝太陽(yáng)電池的構(gòu)件。其結(jié)構(gòu)型式有下列幾種:①體裝結(jié)構(gòu):在航天器本體表面直接粘貼太陽(yáng)電池片。這種結(jié)構(gòu)多使用本體的外殼，可以是半硬殼式結(jié)構(gòu)或蜂窩結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代已發(fā)展為套筒式伸展結(jié)構(gòu)，進(jìn)入空間軌道后外筒沿導(dǎo)軌伸展，增加太陽(yáng)電池陣的面積。②可展開式結(jié)構(gòu):可展開式的太陽(yáng)電池翼，簡(jiǎn)稱太陽(yáng)翼。這種結(jié)構(gòu)分為剛性折疊、柔性折疊和柔性卷式三種。剛性折疊式結(jié)構(gòu)由剛性板通過(guò)鉸鏈連接而成，以鉸鏈彈簧為動(dòng)力展開成翼狀。剛性板用蜂窩夾層板制成，也有采用剛性邊框和張緊柔性薄膜組合的半剛性板。柔性折疊式結(jié)構(gòu)由薄膜和折臂式(或望遠(yuǎn)鏡鏡筒式)的展開機(jī)構(gòu)組成。薄膜用玻璃纖維布或碳纖維布增強(qiáng)的聚酰亞胺制成，為防止電池相互接觸，在薄膜間插入一層襯墊。柔性卷式結(jié)構(gòu)由薄膜和支桿組成，可用卷筒卷成很小體積，其支桿類似金屬卷尺，靠電機(jī)和傳動(dòng)裝置展開成具有一定剛度的長(zhǎng)直桿。

拋物面天線結(jié)構(gòu) 拋物面形狀的天線反射器分為固定式和展開式兩種:①固定式天線:反射器是一個(gè)大面積的薄壁構(gòu)件，有蜂窩夾層、肋骨網(wǎng)式和薄殼三種結(jié)構(gòu)型式，以蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用得最多。為了防止熱變形影響天線的電性能，通常用膨脹系數(shù)很小的石墨纖維或有機(jī)纖維的復(fù)合材料來(lái)制作反射器。②可展開式天線:有撐傘一樣展開的傘狀天線(圖3 )、類似花朵開放的花瓣天線、魚網(wǎng)式的張力索天線和桁架式天線。它們都由反射面部件、展開反射面的動(dòng)力部件和支承反射面的部件組成。反射面部件一般由金屬或非金屬網(wǎng)等柔性材料制成。動(dòng)力部件有彈性元件、可伸縮充氣管或馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 分離連接裝置 衛(wèi)星在發(fā)射時(shí)必須可靠地連接在運(yùn)載火箭上;入軌后又必須可靠地與運(yùn)載火箭分離。為實(shí)現(xiàn)這種功能，采用了專用的分離連接裝置。為減少分離時(shí)沖擊的影響，衛(wèi)星與火箭之間多采用包帶夾塊式分離連接裝置，用側(cè)向爆炸螺栓解鎖。

空間探測(cè)器結(jié)構(gòu) 空間探測(cè)器的型式多樣，具有與衛(wèi)星相同的部分，如承力部件、天線、太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)等;也有一些特殊型式的結(jié)構(gòu),如探測(cè)臂和著陸裝置。探測(cè)臂往往由可以伸展的桿件組成，它的功能是把有特殊要求的探測(cè)儀器伸出探測(cè)器本體之外，以免受本體磁場(chǎng)或輻射的干擾，這種探測(cè)臂有時(shí)也用在衛(wèi)星上。需要在行星或月球表面著陸的空間探測(cè)器采用著陸支架、著陸艙等著陸裝置。硬著陸的著陸裝置須有良好的緩沖性能。在行星或月球表面上行走的探測(cè)器(如自動(dòng)月球車)則須有撓性輪之類的撓性結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)凹凸不平的表面。

載人飛船結(jié)構(gòu) 載人飛船與衛(wèi)星和空間探測(cè)器的結(jié)構(gòu)型式有較大區(qū)別。早期發(fā)射的飛船大多是截錐加上圓柱段，最外面都有防熱結(jié)構(gòu)。例如"阿波羅"號(hào)飛船的結(jié)構(gòu)由救生塔、指揮艙、服務(wù)艙、登月艙等幾大部分組成。救生塔是一個(gè)桁架式的塔形結(jié)構(gòu)。它的功能是在發(fā)射過(guò)程出現(xiàn)緊急情況時(shí)，使飛船逃離危險(xiǎn)區(qū)。登月艙是一個(gè)極其復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)，供載人登月之用。指揮艙的外形呈圓錐形，是需要返回地面的部分。它的外部由燒蝕材料層和不銹鋼蜂窩夾層組成防熱外殼。內(nèi)部是鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的密封艙體，用多根鍛鋁縱梁加強(qiáng)。密封艙體為航天員提供可靠的工作環(huán)境。服務(wù)艙的外殼是一個(gè)鋁蜂窩夾層的圓柱殼體。艙內(nèi)有鋁合金的徑向壁板，用以安裝主發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料和氧化劑箱等設(shè)備(圖4 )。載人飛船和返回式衛(wèi)星在重返大氣層時(shí)會(huì)遇到極高的溫度，必須采用特殊的防熱結(jié)構(gòu)。 航天飛機(jī)結(jié)構(gòu) 航天飛機(jī)一般由軌道器、助推器、外貯箱三部分組成。助推器實(shí)際上是兩枚固體火箭。外貯箱與火箭貯箱類似。軌道器是返回部分，它是一個(gè)類似于飛機(jī)的薄壁結(jié)構(gòu)，但增加了特殊的表面防熱結(jié)構(gòu)。約70%的表面上覆以陶瓷防熱瓦，它與燒蝕防熱結(jié)構(gòu)不同，可以多次重復(fù)使用。軌道器分為前機(jī)身、中機(jī)身、后機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等幾部分。前機(jī)身又分為頭錐和乘員艙兩部分。乘員艙是由鋁合金蒙皮和加強(qiáng)桁條焊接而成的密封艙。中機(jī)身是一個(gè)鋁合金半硬殼結(jié)構(gòu)的大型貨艙，許多部件采用了新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。例如，主框元件采用硼纖維增強(qiáng)鋁合金材料，大型的貨艙艙門采用以碳纖維復(fù)合材料為表板的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。貨艙內(nèi)有機(jī)械操作臂，它由三節(jié)桿件組成(圖5 )。 航天器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)將更多地替代金屬結(jié)構(gòu)，公用艙結(jié)構(gòu)將得到更廣泛的應(yīng)用。隨著大型航天器的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)式、柔性、空間裝配式等更新型的結(jié)構(gòu)形式正處于研究階段。