點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)在航天飛行器的應(yīng)用分析

鐘杰華 趙文利 蔡昱

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2011-5640-0139

摘? 要：未來(lái)航天飛行器向著隱身化、多功能化、智能化等方向發(fā)展，對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提出了輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)功能一體化等需求。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是先進(jìn)輕質(zhì)超強(qiáng)韌材料之一，是實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)功能一體化的有效載體。介紹點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)在未來(lái)航天飛行器的應(yīng)用前景進(jìn)行了初步探討，并指出點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在航天飛行器的應(yīng)用方向主要包括點(diǎn)陣夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)、翼舵類(lèi)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、飛行器有效載荷支架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)? 航天飛行器? 結(jié)構(gòu)功能一體化? 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ450 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（c）-0001-05

Application Analysis of Lattice Structure Technology in Spacecraft

ZHONG Jiehua1? ZHAO Wenli2? CAI Yu1

（ 1.China Academy of Launch Vehicle Technology， Beijing， 100076 China; 2.Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing ，100076 China）

Abstract： In the future，the spacecraft vehicle will develop towards stealth，muti-function and intelligence，which puts forward the requirements of light weight and integration of? incorporation of structure and function for the spacecraft structure system. Lattice structure? is one of the advanced lightweight super-strong materials and is an effective carrier to realize the functional integration of lightweight structures.This paper introduces the development and application of lattice structure technology，and probes into the application prospect of lattice structure technology In the future spacecraft vehicle.It is pointed out that the application direction of lattice structure in space vehicle mainly includes lattice sandwich cylindrical shell structure，wing and rudder lattice structure ，payload support lattice structure and so on.

Key Words： Lattice structure; Spacecraft ;Incorporation of structure and function; Application

新概念航天飛行器向著隱身化、多功能化、智能化等方向發(fā)展，對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提出了輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)功能一體化等需求，包括承載/隱身一體、承載/隔熱一體、承載/隔振一體等多功能集成化設(shè)計(jì)需求。三維點(diǎn)陣材料是國(guó)際上認(rèn)為最有前景的新一代先進(jìn)輕質(zhì)超強(qiáng)韌材料之一，具備承載、隔振、隔熱等多功能，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化的有效載體。

1? 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)內(nèi)涵

點(diǎn)陣材料是一種輕量化結(jié)構(gòu)材料的概念，也稱(chēng)之為“類(lèi)桁架結(jié)構(gòu)”，由美國(guó)普林斯頓大學(xué)的Evans教授、哈佛大學(xué)的 Hutchinson 教授等人在2000年左右共同提出。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的典型芯體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。與宏觀工程桁架結(jié)構(gòu)相比，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的尺寸為毫米級(jí)或微米級(jí)，遠(yuǎn)小于工程結(jié)構(gòu)的相應(yīng)尺寸。因此，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不僅具有結(jié)構(gòu)特征，可以用經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進(jìn)行分析，也具有材料特征，可以用經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法來(lái)分析。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部由周期性的點(diǎn)陣桁架組成，并作為多孔材料與結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，也是三維有序多孔結(jié)構(gòu)種類(lèi)之一，其力學(xué)性能及多功能性可以通過(guò)桁架單胞的構(gòu)型選擇和幾何尺寸優(yōu)化實(shí)現(xiàn)調(diào)控。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效剛度和強(qiáng)度與材料的等效密度近似成線性關(guān)系，遠(yuǎn)高于常見(jiàn)的多孔材料，因此具有非常優(yōu)異的承載能力。同時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部周期性連通的空穴可為其多功能開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)空間，如熱控、減振吸能、吸波隱身和電磁屏蔽等功能。尤其是復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是目前最有前景的輕質(zhì)超強(qiáng)多功能結(jié)構(gòu)材料，越來(lái)越受到飛行器設(shè)計(jì)單位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。

2? 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 國(guó)外飛行器應(yīng)用進(jìn)展

新型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)是目前國(guó)際上最有應(yīng)用前景的先進(jìn)輕質(zhì)超強(qiáng)材料之一，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于飛機(jī)和衛(wèi)星等航空航天飛行器結(jié)構(gòu)。美國(guó)波音公司和PYRAmatrix公司共同合作，在機(jī)身的層芯材料中使用了周期點(diǎn)陣的靜不定桿網(wǎng)架，有效地降低了機(jī)身結(jié)構(gòu)的重量。另外，美國(guó)/英國(guó)已經(jīng)將點(diǎn)陣材料作為大型機(jī)翼的主干層芯，利用點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)的大量孔隙空間來(lái)存儲(chǔ)燃料，以節(jié)省空間并降低結(jié)構(gòu)重量。Materialise與Atos的工程部門(mén)共同合作，對(duì)大量應(yīng)用于衛(wèi)星的鈦合金鑲件進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的鑲件通常采用鋁合金或鈦合金制作，通過(guò)機(jī)械加工制造，做成內(nèi)部為實(shí)體的磚塊形狀，質(zhì)量笨重，成本高。采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和晶格結(jié)構(gòu)優(yōu)化等先進(jìn)技術(shù)，鑲件內(nèi)部空間采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)金屬增材制造，減少構(gòu)件內(nèi)部的材料使用量，將鑲件質(zhì)量從1454g減少到500g，新型鈦金屬鑲件重量?jī)H為原來(lái)的1/3。除了減輕重量外，還解決了原設(shè)計(jì)中的熱彈性應(yīng)力問(wèn)題。因?yàn)檫@些鑲件在夾芯板的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的固化過(guò)程中已經(jīng)被安裝上去，因此會(huì)受到熱彈性應(yīng)力。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，則降低了這些應(yīng)力帶來(lái)的影響并改善了載荷的分布，從而延長(zhǎng)了鑲件的使用壽命，見(jiàn)圖2、圖3、圖4。

2.2 國(guó)內(nèi)飛行器應(yīng)用進(jìn)展

最近幾年，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在增材制造點(diǎn)陣材料的制備工藝、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與試驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等方面開(kāi)展了大量的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究工作。增材制造點(diǎn)陣材料也被應(yīng)用于航天器有效載荷支架結(jié)構(gòu)等非主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并逐步推廣應(yīng)用在主承力結(jié)構(gòu)上。

2019年8月17日，捷龍一號(hào)遙一火箭以“一箭三星”的方式將“千乘一號(hào)01星”衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿(mǎn)成功。千乘一號(hào)衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)是目前國(guó)際首個(gè)基于增材制造點(diǎn)陣材料的整星結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星狀態(tài)運(yùn)行良好，標(biāo)志著用于航天器主承力結(jié)構(gòu)的增材制造三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度達(dá)到了9級(jí)，見(jiàn)圖5。

千乘一號(hào)整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，整星結(jié)構(gòu)通過(guò)鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號(hào)微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以?xún)?nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計(jì)及制備周期縮短至1個(gè)月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過(guò)500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。整星增材制造工作由西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司完成，該衛(wèi)星所有結(jié)構(gòu)由鉑力特四光束增材制造設(shè)備BLT-S600一爐內(nèi)完成打印制造，零件最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內(nèi)部輕量化點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)尺度小，整星超過(guò)100萬(wàn)個(gè)點(diǎn)陣特征，增材成形難度大，從穩(wěn)定性、精度、周期等指標(biāo)上對(duì)打印設(shè)備及工藝能力要求非常高。

北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院在輕質(zhì)點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備與表征，航天輕質(zhì)點(diǎn)陣復(fù)合材料筒體與翼舵結(jié)構(gòu)等方向開(kāi)展了較多的研究工作。提出了多級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念及方法，發(fā)明了國(guó)內(nèi)外首臺(tái)全自動(dòng)三維編織機(jī)，解決了大尺寸異型結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與制造難題，如圖6為研究院研制的輕質(zhì)點(diǎn)陣復(fù)合材料典型樣件。為滿(mǎn)足重型運(yùn)載火箭、飛行器對(duì)輕質(zhì)大直徑主承力筒體及異型翼舵結(jié)構(gòu)的迫切需求，開(kāi)展了基于雙蒙皮纏繞成型工藝的大直徑點(diǎn)陣夾層圓柱殼、三維穿插整體成型翼舵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造研究，如圖7為研究院研制的輕質(zhì)點(diǎn)陣復(fù)合材料筒體和翼舵。

3? 未來(lái)航天飛行器應(yīng)用分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外飛行器典型應(yīng)用實(shí)例，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在航天飛行器的應(yīng)用方向主要包括點(diǎn)陣夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)、翼舵類(lèi)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、飛行器有效載荷支架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等。其中金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是主要的研究發(fā)展方向。

針對(duì)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的主要研究方向，以鈦合金、鋁合金和高溫合金為主，在航空領(lǐng)域多用于次承力結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)、格柵類(lèi)結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)等功能構(gòu)件。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度和比剛度，可用于承載結(jié)構(gòu)的局部剛度增強(qiáng)填充，使構(gòu)件實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)方面，由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)存在大的孔隙率，可將功能布置在空隙中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載、防熱、隱身、降噪等功能融合。

針對(duì)復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)：復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)可以更高效率地替代蜂窩結(jié)構(gòu)的功能。由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的面板與點(diǎn)陣芯材結(jié)合為整體，可以起到替代蒙皮的功能，且集結(jié)構(gòu)面板與芯材一體，夾層空間大，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的比剛度和比強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蜂窩結(jié)構(gòu)。但是，制約復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)大規(guī)模在航空航天飛行器上應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵因素在于：（1）復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)制備工藝非常復(fù)雜、成本高;（2）復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)面芯之間的粘接強(qiáng)度低。面芯之間的粘接設(shè)計(jì)決定了面板能夠傳遞給芯體的最大剪切載荷，這對(duì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。如果面芯之間的界面粘接強(qiáng)度由于面芯之間的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不當(dāng)或者面芯之間的粘接方式不恰當(dāng)，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的破壞就會(huì)過(guò)早發(fā)生。因此，在應(yīng)用過(guò)程中，面芯脫粘是復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的失效模式。

毫無(wú)疑問(wèn)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)具有輕質(zhì)、超強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)一體化等明顯優(yōu)勢(shì)，未來(lái)將逐步推廣應(yīng)用于航天飛行器將是必然趨勢(shì)。具體的應(yīng)用過(guò)程，還需逐步解決以下問(wèn)題：（1）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化技術(shù)：點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面面臨跨尺度、多物理場(chǎng)、優(yōu)化手段可用性等關(guān)鍵問(wèn)題，首要問(wèn)題就是要解決構(gòu)型優(yōu)化手段可用性問(wèn)題;（2）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)指南及設(shè)計(jì)規(guī)范的建立：點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的承載性能有其特殊性，同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧功能結(jié)構(gòu)一體化，因此，從頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法上，需建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，用于指導(dǎo)工程應(yīng)用;（3）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)產(chǎn)品快速高精度檢測(cè)技術(shù)：點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)眾多，制造過(guò)程容易出現(xiàn)缺陷，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，就需形成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的快速高精度檢測(cè)技術(shù);（4）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)產(chǎn)品性能驗(yàn)證及評(píng)價(jià)：現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)不能直接用于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的性能評(píng)價(jià)，需要根據(jù)多功能點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)定制開(kāi)發(fā)相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備及性能評(píng)價(jià)方法;（5）大尺寸異形曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)：未來(lái)航天飛行器有著復(fù)雜的氣動(dòng)外形，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也面臨大尺寸異形曲面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造難題，如何在大尺寸異形條件下實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，這對(duì)于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)的工程應(yīng)用也將帶來(lái)相應(yīng)的挑戰(zhàn)。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，指出點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在航天飛行器的應(yīng)用方向主要包括點(diǎn)陣夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)、翼舵類(lèi)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、飛行器有效載荷支架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等。分析了目前點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)在未來(lái)航天飛行器應(yīng)用需進(jìn)一步發(fā)展拓?fù)鋬?yōu)化方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、分析與性能驗(yàn)證方法、大尺寸異形曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造等關(guān)鍵問(wèn)題?？傊?，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展將為飛行器性能的提升提供有力的技術(shù)支持，支撐飛行器綜合性能的全面提升，同時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)尤其是復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展也需要相關(guān)項(xiàng)目的大力牽引，以獲得突破性的進(jìn)展。

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