打开文本图片集

摘要：太阳翼基板是卫星太阳翼的重要组成部分，太阳翼基板的强度和刚度决定了太阳翼的可靠性。如何在保证太阳翼基板强度和刚度的前提下尽可能的减轻其重量是值得研究的问题。本文从设计和工艺的角度对其轻量化的设计进行了探讨，为太阳翼基板的轻量化设计提供了参考。

关键字：太阳翼基板;轻量化设计

1.概述

随着近些年商业航天的蓬勃发展，低成本的卫星制造技术越来越受到重视。太阳翼基板是卫星太阳翼的重要组成部分。轻量化的太阳翼基板可以降低发射成本，符合商业航天对于成本控制的需求。本文通过对太阳翼的组成、设计流程和工艺等进行了介绍，从各个环节来探讨轻量化的方法。

2.太阳翼板介绍

常见的太阳翼基板是一种“三明治”结构，由蒙皮和芯材组成，如图1所示。为了降低其质量，蒙皮采用比刚度更大的碳纤维材料，而芯材则采用铝蜂窝。

从卫星发射的整个流程来看，太阳翼基板一般受到以下工况考核：（1）振动冲击，在卫星发射阶段，由于火箭箭体发生剧烈的振动，处于收拢状态的太阳翼基板也会受到来自箭体的振动，太阳翼基板在剧烈的振动下如果刚度不足，则会与其他结构发生碰撞。如果基板强度不足则会发生破坏，如蒙皮拉压破坏、蜂窝剪切破坏。（2）太阳翼开展冲击，当卫星达到预定位置释放后，需要打开太阳翼，太阳翼在打开接触时刻会产生冲击，此时太阳翼基板也会受到冲击的影响。（3）高低温，在太空中温度变化范围大，基板会经历热胀冷缩，要保证结构内部应力小于允许强度。为了保证在上述工况中太阳翼基板可靠工作，需要选择合适的材料，并针对这些材料进行合理的设计，保证在以上工况中强度、刚度满足要求。

太阳翼基板根据其功能，主要材料有复合材料、芯材、胶水、埋件以及绝缘材料。其中复合材料一般用于蒙皮，为了增加其透气性和降低质量，有时候会设计成网格状，芯材需要根据计算结果选择可以满足的、质量最轻的铝蜂窝。胶水分为胶膜、常温胶、膨胀胶等，用于不同的位置，其中胶膜主要用来粘接蜂窝和蒙皮，常温胶用来粘贴绝缘材料，而膨胀胶则用来填充芯材和预埋件之间的空隙。基板一般会经过2～3次固化，第一次固化是蒙皮的固化，第二次固化则是基板整体的固化。基板整体固化大致流程如下：放置下蒙皮（已固化完）——铺设胶膜——放置蜂窝——放置预埋件——放置膨胀胶——放置胶膜—放置上蒙皮——合模——固化。

3.太阳翼板轻量化设计方法探讨

上述介绍了基板的组成、设计流程以及工艺流程等内容，接下来探讨太阳翼基板的轻量化设计方法。太阳翼基板的轻量化可以从其材料选取、设计和工艺三个方面入手。

（1）材料选择

为了降低太阳翼基板的质量，尽可能的选择比强度、比刚度高的材料。蒙皮常见的材料有复合材料和铝合金，复合材料主要是碳纤维，碳纤维又分为高模量和高强度两大类型。复合材料的比强度和比刚度一般大于铝合金，有较大的优势，因此常选择碳纤维为蒙皮的材料。至于选择高模量还是高强度的碳纤维，需要结合设计来进行选择。芯材一般有泡沫芯材、蜂窝芯材，蜂窝芯材又分为纸蜂窝和铝蜂窝，目前常用的蜂窝芯材是铝蜂窝芯材，主要是因为其壁厚可以做的很薄，强度比纸蜂窝要高。总而言之，在进行材料选择的时候尽量选择比强度和比刚度比较高的材料，同时也要结合设计和成本。

（2）基板设计

设计是减轻基板重量的重要手段，好的设计往往能使基板质量又轻，刚度又好。基板的设计荷载一般是振动和冲击条件，需要设计的内容包括压紧点的个数、压紧点的位置、蒙皮的厚度和铺层、芯材的厚度等。压紧点的个数和压紧点位置的设计尤为重要，压紧点个数越多，基板受力越好，但是会相应的增加重量。压紧点的个数多受空间的影响。压紧点的位置也同样重要，压紧点的设计应保证基板受力均匀，避免出现较大的悬臂。当压紧点个数和压紧点位置确定好后，根据基板内部受力设计其蒙皮和芯材，一般蒙皮承受拉力和压力，芯材承受剪切力。根据基板受到的剪力和芯材剪切强度可初步确定芯材厚度，根据基板受到的弯矩和芯材高度可初步确定蒙皮的厚度。基板会不可避免的出现悬臂，这时悬臂的根部是受力较大的区域，对于局部受力较大的区域，可通过局部补强来增加其强度，如图3所示。避免蒙皮的整体加厚，可大幅度降低基板的重量。当完成压紧点个数、压紧点位置、蒙皮厚度和铺层以及芯材厚度等设计完成后，通过有限元仿真的方式进行校核，如出现不满足的地方进行调整即可。也可通过优化软件对其进行优化，以达到较轻的质量。

（3）基板工艺

当设计确定后，基板的主要材料重量已经确定，如蒙皮、芯材、绝缘材料等。但是基板中胶水的重量跟工艺流程有关，合理的工艺可减轻胶水的用量，从而来使得基板更轻。在上面的阐述中介绍了基板的成型工艺，可以发现基板主要用胶的地方有：1）蒙皮和蜂窝之间;2）预埋件和芯材之间;3）绝缘材料和基板之间。蒙皮和蜂窝之间一般采用胶膜，胶膜的固化工艺和厚度决定了胶水的质量，当胶膜厚度较小时，可能粘接强度不够，当胶膜厚度较大时，会出现胶水流淌的现象。因此需要通过工艺摸索选择合适的胶膜厚度，另外可采用热破膜作为二者之间粘接的胶膜，此胶膜可尽可能的将胶水聚集在需要的地方，避免了胶水的浪费。预埋件和芯材之间的热膨胀胶如果太少，也会使得二者之间的粘接强度不够，但是热膨胀胶太多会使得重量较重，需要根据预埋件的作用和受力，来决定加强的程度，从而选择最为合理的用胶量。绝缘材料和基板之间采用胶水，同样面临上述提到的问题，需要通过工艺摸索来确定最优的胶水量，在保证粘接强度的情况下使得胶水用量最小。可采用喷胶工艺代替涂胶工艺，精确控制用量，且更加的均匀。

4.总结

本文从材料选择、设计和工艺三个方面探讨了太阳翼基板轻量化的方法，总而言之要想太阳翼基板质量更轻，必须三个方面综合考虑。同时，在进行轻量化的同时也要综合考虑成本，优先通过设计来降低基板的质量。

参考文献

[1]盛聪， 曾福明， 濮海玲. 应用OptiStruct软件的太阳翼基板结构优化[J]. 航天器工程， 2011， 20（6）：6.

[2]张帆， 陈绍广， 王佳禹，等. 聚酰亚胺薄膜与太阳翼基板粘贴技术研究[J]. 化工新型材料， 2020， 48（3）：4.

作者简介：于文泽，1985年2月，男，汉，内蒙古赤峰人，硕士学历，中级工程师，研究方向：航天飞行器结构

感谢深圳市科技创新委员会对本应用示范项目“卫星轻量化蜂窝板应用示范”（编号：KJYY20180208184148779）的资助。