一种兼具卫星舱板功能的相机承力板设计

范俊杰 吕秋锋 宁晓周 靳利锋 任海培

一种兼具卫星舱板功能的相机承力板设计

范俊杰1,2吕秋锋1,2宁晓周1,2靳利锋1,2任海培1,2

（1北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

安装承力板对于保证相机结构稳定性、技术指标以及承受运输到发射阶段的各种力学环境具有重要作用。随着整星轻量化要求的提高，之前常用的单面承载构型已无法满足目前对承力板多功能化的迫切需求。文章针对某型号光学相机任务需要，通过优化整体成型的碳纤维加强框架布局，设计了一种兼具卫星舱板功能的双面承载相机承力板，提高整星的功能密度，降低整星质量和体积。该承力板在保证轻量化的前提下满足大长宽比（4∶1）和较高的稳定性要求，不仅可以支撑多台相机，还可以作为卫星的舱板承载卫星设备。有限元仿真和试验验证结果表明，承力板结构频率>100Hz，位置关系稳定性优于2′，质量比传统承力板减小50%，可以满足相机和卫星的要求。

复合材料 相机承力板 有限元 空间相机

0 引言

近年来，随着对地观测卫星的迅速发展，对空间遥感相机数据品质的要求越来越高，为满足大视场、高分辨率的要求，空间光学遥感相机的体积逐渐增加，质量也越来越大，结构也更加复杂[1]。为了更好的配合卫星向“小、轻、快、省”方向发展，研制机构采用了许多新的设计思路，如微电子机械技术、新型材料的应用、先进器件的选用以及一体化设计思想[2]。

传统卫星的设计一般采用平台化构型，比如美国MMS卫星平台，结构如图1所示[3]。此类卫星有效载荷和卫星平台分开设计，一个卫星平台能适应不同种类的有效载荷，但这种设计方法的缺陷是卫星质量和体积均较大，结构布局设计不是最优化，因此浪费了运载的空间和质量，提高了发射成本。这种设计思路已经不能满足卫星质量小、体积小、功能集成度高的设计理念。

星载一体化逐渐成为现在的流行趋势，将载荷结构与平台结构有机结合，既发挥有效载荷的承力作用，同时也是卫星平台不可分割的一部分，同一个结构担任两种角色，不仅提高了卫星结构的功能集成度，同时还减少了卫星质量，缩小了卫星体积，有效降低了制造成本。法国Pleiades卫星即是按此思路设计，其结构如图2所示[3]。在这种一体化结构中载荷和平台没有明显的界限，卫星以载荷为中心，围绕载荷进行布局，星上的一些设备直接安装在载荷承力板上，极大提高了卫星结构使用效率。

图1 美国MMS卫星平台

图2 Pleiades卫星

本文结合某型号光学相机任务需要，基于星载一体化设计思想设计了一种兼具卫星舱板功能的相机承力板。该承力板具有大长宽比以及双面承载能力，由于长宽比越大，相对刚度会变差，加上双面承载的要求，变形也会越大，造成设计难度呈几何倍数的增长。对于精度要求高的卫星系统，由于存在地面重力影响，为了保证地面与在轨指标的一致性，必须严格控制变形量，在适应卫星结构的同时保证力学刚度。

1 卫星平台与相机承力板一体化设计

从结构方面考虑，相机承力板的复合功能有两种型式——分离式和集成式，如图3所示。其中分离式以相机承力板作为相机和卫星的分界面，承力板安装于星体舱板，其上安装了所有光机组件、电子学设备和其余辅助设备[4]，这种构型的优点是功能单一、独立，研制过程只需考虑相机负载即可，缺点是会浪费卫星整体空间；集成式是基于一体化设计思想，不严格区分相机承力板和卫星舱板，承力板的双面均可以安装相机的光机组件、电子学设备，也可以安装卫星其他部组件，承力板兼具相机承力和卫星舱板的功能，这种构型的优点是减少了整星质量和零部件数量，缺点是由于承力板变成了双重承载，对其力学性能要求更加苛刻。

对于大视场相机来说，需要多台相机共同合作才能完成任务，本文研究的型号中多台相机要一字排开，并成一定的夹角，相机承力板需满足较大的长宽比和承载。针对这种需求，提出了一种兼具卫星舱板功能并满足多台相机承载的大长宽比承力板，根据指标要求对其结构进行了详细设计和优化，并对力学性能及稳定性做了分析和试验验证。

图3 承力板功能型式

2 集成式承力板结构设计

由于传统的金属材料承力板难以满足空间光学遥感相机的轻量化及结构热稳定性要求[5-6]，碳纤维复合材料以其密度小、比强度和比刚度高等优势，在航天器结构上应用越来越多[7-8]。

本文中研究的相机承力板构型为平板结构，双面负载，要求其同时具备相机承力板和整星主承力板功能，在卫星发射阶段需能承受更为恶劣的动力学条件。该承力板上安装多台光学遥感相机，需保证相机之间空间位置关系的稳定性（任意两台相机夹角变化小于±2′），还要满足与卫星的连接强度，要求整体基频>100Hz，振动前后频漂<4%，承力板材料热膨胀系数范围在–1×10–6～1×10–6，在准静态30n过载下，安全裕度>0.25，质量<25kg，外轮廓为2 000mm×500mm×50mm。为了满足卫星总体要求顺利完成任务，该承力板采用集成式复合材料设计。

复合材料承力板一般由上下面板、铝蜂窝及加强框架组成。传统的碳纤维铝蜂窝复材板为了减少结构质量和保证结构刚度，一般采用内嵌加强框架的蜂窝夹层结构，加强框架由各种类型的接头和管件组装胶接而成[9-10]，当接头和管件以及夹层中埋件较多时，安装定位会比较困难，另外接头和管件通过胶接连接，随着接头数量的增多，胶接处的风险也会增加[11]。

考虑到光学相机的任务需求，这种大长宽比的双面承载结构还需保证多台空间相机位置关系的稳定，传统的碳纤维铝蜂窝复材板无法满足设计要求，本文采用新型的整体内嵌加强框架来保证整板结构刚度和局部连接点的连接强度，通过优化加强框架的布局、壁厚，达到减小质量并保证整体结构刚度的目标。

2.1 承力板结构设计

碳纤维铝蜂窝复材承力板的整个研制流程如图4所示[12-13]。研制难点主要为：大长宽比（4∶1）、双面承载、稳定性高以及质量限制。这些难点互相影响，因为双面承载及高稳定性要求承力板具有足够的刚度和强度，这就必须对加强框架进行补强，补强势必会增加加强框架质量，最终导致承力板总质量的增加；而大长宽比会带来较大变形量，尤其是沿长边方向，影响稳定性。因此，为了满足整体要求，需要在保证长宽比的前提下，兼顾刚度、强度及质量的要求。

综上分析，承力板材料的选择尤为重要。由于承力板为蜂窝夹层结构，为了保证刚度上下面板均采用高模量碳纤维/氰酸脂复合材料，中间夹层为铝蜂窝。常见的高模量碳纤维材料性能参数见表1。可以看出，M55J模量碳纤维具有较高的模量和热导率以及较低的延伸率，综合考虑其力学性能和热物理性能等因素，本文承力板复合材料中选用M55J高模量碳纤维。

图4 承力板研制流程

表1 碳纤维材料性能参数

Tab.1 Performance parameters of carbon fiber reinforced composites

由于遥感相机对结构热稳定性要求较高，对于树脂基复合材料结构，温度变化和吸湿均会对尺寸热稳定性产生影响，其中吸湿的影响更为显著，复合材料的这些特性均由树脂基体本身决定。常用的树脂基复合材料有氰酸酯树脂与环氧树脂两种，两种材料参数对比见表2。可以看出，氰酸酯树酯具有比较低的热膨胀系数和吸湿率，较高的耐热性以及良好的尺寸稳定性。综合考虑，碳纤维铝蜂窝复材面板选择氰酸酯树脂作为树脂基体[14]。

表2 氰酸酯树脂与环氧树脂的比较

Tab.2 The comparison of cyanate ester resin and epoxy resin

由于加强框架是影响承力板刚度最主要的因素，在整个承力板中其质量占比最大，其性能优劣直接决定了任务的成败。传统的加强框架由管件、接头胶接而成[15]（如图5所示），并通过埋件形式作为外部接口的安装面，由于管件和接头数量很多使得工作量很大，进而导致胶接间隙不能很好控制，胶接品质得不到保证，可靠性会降低。埋件需要在管件上开口塞入管中（如图6所示），使得管件与埋件尺寸配合较为困难，给安装和定位带来很大难度，当埋件较多时，工作量也会随之增加。为了保证承力板的稳定性要求，本文特别采用了“几”字型加强框架作为整体结构（如图7所示），与传统加强框相比，这种构型可根据埋件分布位置自由改变截面尺寸，减少了大量的接头及胶接，提高了可靠性和工作效率。从埋件安装形式比较，传统加强框架管件为封闭式，“几”字型加强框架是开放式（见图8），开放式的安装更方便，位置精度更容易控制，大大减少了工作量。

图5 传统加强框架示意

图6 传统埋件安装示意

图7 新型加强框架示意

图8 新型加强框架埋件安装示意

框架结构的布局根据蜂窝夹层结构中埋件的位置及力学要求来确定，通过Hypermesh、MSC.Nastran等分析软件对整体结构进行力学仿真，再依据力学分析及结构优化结果确定加强框架最终结构形式。根据承力板上的载荷及与整星接口，首先对其进行接口和轮廓布局（如图9所示，其中圆圈处为埋件位置），然后根据光学遥感器在卫星上的安装位置，确定“几”字槽的路径。由于“几”字槽相当于加强框架的加强梁，通过增加“几”字槽的密度来提高加强框架的总体刚度，具体路径如图10中虚线所示；将受力较大的设备安装接口埋件放置在“几”字槽内来增加连接点的连接强度，并根据设备的位置布局调整“几”字槽的高度；设备的安装孔及安装平面由各种金属埋件提供，通过胶接成型工艺将各零部件组装成一个整体结构。

图9 承力板接口布局

图10 承力板总体布局

由于上下面板和铝蜂窝质量已经由外轮廓确定，为了满足＜25kg的质量要求，需在保证刚度的前提下对加强框架进行轻量化。加强框架的质量由壁厚及传递路径长短决定，由于传递路径受安装位置限定，可以通过改变“几”字槽的密度来调整，本文重点研究采用优化壁厚这种方式。

由频率（）、刚度（）以及质量（）的关系（=（2π）2可知，频率和质量越大，刚度越好。通过对承力板单板的仿真迭代，分析了加强框架不同壁厚下的质量对应基频的变化，优化过程数据见表3，最终优化出的整体成型碳纤维加强框架如图11所示，整体镶嵌在普通碳纤维面板/铝蜂窝夹层结构板中。由表3可以看出：增加加强框架壁厚对结构频率提高具有显著效果，当壁厚从0.5mm增加至1mm，基频增加了28Hz；当壁厚大于1mm时，随壁厚的增加，质量也相应增加，频率提升效果减缓。综合考虑承力板总质量及刚度（分配到加强框架质量为＜3kg），选用1mm壁厚方案[16]。

表3 承力板壁厚优化过程数据

Tab.3 The natural frequencies of the camera bearing plate

图11 加强框架结构示意

3 仿真分析

在MSC/Patran中建立相机承力板带负载有限元模型，蜂窝板采用3节点复合材料板壳单元，加强框架采用2节点CBAR梁单元进行模拟，相机负载采用集中质量点模拟，负载总质量为110kg，通过RBE2刚性连接到相机承力板上，有限元模型见图12，图12中、向分别为承力板长、宽向，向为垂直板面方向。根据指标要求，主要对模态、稳定性以及安全裕度进行了仿真计算。其中约束状态下相机承力板模态分析结果表明，前3阶固有频率依次为109、112、127Hz，设计结果满足整星大于100Hz要求。承力板一阶振型见图13。

在相机承力板、、三个方向分别施加过载30n，按Hoffman失效准则计算过载下的安全裕度，结果如图14所示。计算分析发现，向施加过载时，最大应力119MPa，最小安全裕度2.38；向施加载荷时，最大应力67.8MPa，最小安全裕度3.37；向施加过载时，最大应力59MPa，最小安全裕度2.73。

图12 相机承力板有限元模型

图13 相机承力板1阶模态

为了保证承力板上相机之间的稳定性要求，在1n过载下对相机间夹角进行计算，4台相机中每台相机相同位置取2个点，根据两点一线，并将线进行投影计算载荷施加前后的夹角，结果如表4所示。可以看出施加过载前后夹角变化最大为44″，满足任意两台相机夹角变化小于±2′的要求。

表4 载荷施加前后相机间夹角

Tab.4 The change of angle between cameras with loads applied 单位：（°）

4 试验验证

某型号光学遥感相机应用本设计方法研制成品两件，单件质量为23.5kg，带配重以总质量140kg的状态经过验收级振动试验。试验数据分析显示相机承力板带配重在、、向的一阶整体模态频率分别为110.8、107.8、108.8Hz，三向频率均大于100Hz，因此相机各测量点响应曲线均与输入曲线比较接近，基本无放大或者在100Hz附近开始有放大趋势。振动前后各个测点特征曲线重合很好。三向验收级随机振动试验中，各测点响应均方根加速度放大倍数均未超过4.5倍，均方根加速度响应小于30n。

对试验过程进行总结和分析可以得出：相机承力板带配重一阶频率为107.8Hz，与模态分析结果相近，振动前后出现最大约3%频率漂移，满足要求；振动后复测外形尺寸，相机设备安装面位置及形位公差小于0.1mm；在不同配重位置粘贴立方棱镜，经测量立方棱镜间的夹角变化最大为73″，小于±2′的总体要求，满足空间稳定性要求。后续成功通过了整星力学试验，证明设计合理可行，能够承受发射段力学环境，具有较好的稳定性。

根据仿真和试验结果，基频、空间稳定性均能满足总体要求，如表5所示。在质量方面，该集成式复合材料承力板质量为23.5kg，相比传统金属材料承力板（质量80kg）质量减少约70%，相比分离式复合材料承力板（质量47kg）质量减少50%，减质量效果显著。

表5 仿真与试验数据对比

Tab.5 Comparisons of simulation and experimental data

5 结束语

本文结合某型号任务需求，选用整体成型的碳纤维加强框架，通过优化布局和壁厚，提升普通蜂窝夹层结构的刚度和强度，设计出一种兼具卫星舱板功能的复合材料相机承力板。该承力板具有大长宽比、高稳定性等特点，可以同时承载多台相机，其力学性能有限元仿真分析、力学试验验证以及后续的整星力学试验结果表明：该承力板基频大于100Hz，位置稳定性优于2′，质量小于设计指标（25kg），各指标均满足总体设计要求，可以同时作为相机承力板和卫星舱板。该承力板相对于传统的分离式承力板，质量减少了50%，与此同时还减少了零件数量，为后续相机载荷的星载一体化提供了一种设计思路。

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Design of a Bearing Plate with the Functions of Both Camera and Satellite Module

FAN Junjie1,2LYU Qiufeng1,2NING Xiaozhou1,2JIN Lifeng1,2REN Haipei1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

The bearing plate of space cameras is important to ensure the stability, technical index and withstand various complex mechanical environments from transport to launch process. With the increase of satellite lightweight, multi-function of the bearing plate is very urgent as the single-sided load plate can’t fulfill the demand. Through the optimization design of the whole formed carbon fiber reinforced frame, a kind of bearing plate for both satellite module and camera was designed in the paper. The function density of the whole satellite was improved and the entire star size and weight were reduced. It can satisfy the needs of large aspect ratio (4:1) and high stability under the premise of lightweight. As a cabin board supporting some satellite equipments, the bearing plate can support multiple cameras. Through the finite element analysis and experimental verification, the first modal frequency of the camera bearing plate is larger than 100Hz, with the stability less than 2′ and the weight decreases by 50% compared with the traditional bearing plate. The result of calculation shows that this design can meet the requirement for both satellite module and camera.

composite material; bearing plate of camera; finite element method; space camera

V414.3

A

1009-8518(2021)03-0088-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.03.010

2020-04-08

民用航天十三五预研项目（D040401）；民用航天十三五三批（A0302）

范俊杰, 吕秋锋, 宁晓周, 等. 一种兼具卫星舱板功能的相机承力板设计[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(3): 88-97. FAN Junjie, LYU Qiufeng, NING Xiaozhou, et al. Design of a Bearing Plate with the Fuctions of Both Camera and Satellite Module[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(3): 88-97. (in Chinese)

范俊杰，男，1985年生，2011年获北方工业大学机械制造及自动化专业硕士学位，工程师，目前主要从事空间光学遥感相机光机结构设计工作。E-mail：fjj-8503@163.com。

（编辑：夏淑密）