一体化纤维复合材料姿控舱的制作方法

1.本发明涉及航天器姿态控制部件技术领域，具体涉及一种一体化纤维复合材料姿控舱。


背景技术：

2.航天运载器的末级为了完成入轨和姿态控制，需要姿控舱搭载的设置动力系统对航天运载器的俯仰、偏航和滚动进行姿态调整控制，以保证运载载荷能够精确入轨。现有的姿控舱采用金属材料制作，且对安装动力设备的设备舱和承担载荷的载荷支架进行分体设计，从而存在重量偏大的问题，降低了火箭的有效运载载荷和使用经济性；并且因其转动惯量大，也增加了调姿难度；此外分体设计的连接复杂度高，降低了产品可靠性。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的金属姿控舱因重量大而造成经济性下降、调姿难度加大的缺陷。
4.为解决上述技术问题，本技术提供了一种一体化纤维复合材料姿控舱，包括：姿控舱主体和隔板；
5.姿控舱主体包括：上法兰、下法兰、上锥段、下锥段、中心筒和腹板；
6.中心筒位于上法兰和下法兰之间从而构成哑铃状结构；
7.上锥段和下锥段两者均呈锥状漏斗结构；上锥段的大口与上法兰的孔口相连，上锥段的小口与中心筒顶端相连；下锥段的大口与下法兰的孔口相连，下锥段的小口与中心筒底端相连；
8.腹板具有多个，各腹板围绕中心筒轴心圆周分布在中心筒外侧，腹板的顶部与上法兰连接，腹板的底部与下法兰连接，腹板的一侧边朝内而另一侧边朝外，腹板的内侧边与上锥段、中心筒和下锥段均形成连接；
9.上法兰、下法兰、上锥段、下锥段、中心筒和各个腹板采用纤维复合材料一体成型；
10.隔板设置在成对的腹板之间。
11.进一步地，在中心筒上设置有凸出于中心筒外侧面的中心筒加厚区，中心筒加厚区围绕中心筒轴心设置呈环状设置。
12.进一步地，腹板成对设置，每对腹板中的两块腹板相互平行，隔板的两侧边与成对设置的腹板一一对应连接，隔板的一端朝外而另一端朝内，隔板的内端与中心筒加厚区相连。
13.进一步地，隔板包括：
14.隔板横板，
15.隔板内端板，设置在隔板横板的内端，并与隔板横板相垂直；
16.隔板外端板，设置在隔板横板的外端，并与隔板横板相垂直；
17.两个隔板侧端板，设置在隔板横板的侧边，并与隔板横板相垂直；隔板内端板、隔
板外端板和两个隔板侧端板合围成框状；
18.在隔板内端板和隔板侧端板上均设置有隔板连接孔，在中心筒加厚区和腹板上设置有与隔板连接孔相适配的主体连接孔，隔板连接孔与主体连接孔通过螺栓或铆钉连接。
19.进一步地，上锥段靠近上法兰的区域设置有上锥段加厚区，上锥段加厚区与上法兰厚度相同。
20.进一步地，下锥段靠近下法兰和腹板的区域设置有下锥段加厚区，下锥段加厚区下法兰厚度相同。
21.进一步地，腹板外侧边的下部设置有腹板加厚区，腹板加厚区朝向远离成对的腹板之间的空隔方向凸出于腹板表面。
22.进一步地，在成对的腹板之间沿中心筒轴向设置有多个隔板。
23.进一步地，腹板加厚区处于下法兰和最靠近下法兰的隔板之间。
24.进一步地，在上法兰、下法兰、上锥段、下锥段、中心筒、腹板、中心筒加厚区、上锥段加厚区、下锥段加厚区和腹板加厚区之间具有厚度变化的连接处设置有厚度逐渐改变的过渡区，过渡区在碳纤维复合材料铺层过程中通过丢层的方式实现。
25.通过采用上述技术方案，本发明具有如下技术效果：
26.本装置其姿控舱主体通过呈哑铃状连接的上法兰、下法兰、上锥段、下锥段和中心筒，并且配合设在哑铃空档内并大体围绕中心筒轴心呈放射状布置的多个腹板，共同构成了一个结构强度大、但材料用量低的结构体，并且该结构体还可使用碳纤维布并配合模具进行铺贴、再通过热压罐压合固化的工艺来一体化成型制造，从而使采用纤维复合材料的姿控舱主体更加轻量化，其减重效果明显，相比金属材料制成的姿控舱可减重40％，应用于一般规格的运载火箭，其可提高有效载荷45kg以上，提高了运载火箭经济性，并可使载荷在调整姿态时的转动惯量下降，提高了调姿的操控性，并节省了调姿所耗燃料，从而降低携带燃料量进一步增强运载火箭有效载荷。其采用碳纤维复合材料制成后，质量可满足《gjb2895－1997碳纤维复合材料层合板和层合件通用规范》中的a级标准。并且因姿控舱主体结构简单紧凑，其一体化成型工艺方案合理可行、模具制造简单、便于操作，产品制备周期短。且整体制备过程具有可重复操作性、良率高，可满足批量化生产的需求。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例1的结构示意立体图；
29.图2为本发明实施例1的姿控舱主体的结构示意主视图；
30.图3为本发明实施例1的姿控舱主体的结构示意俯视图；
31.图4为图2中a－a处的剖视图；
32.图5为图3中b－b处的剖视图；
33.图6为图5中d处的局部放大视图；
34.图7为图5中e处的局部放大视图；
35.图8为图5中f处的局部放大视图；
36.图9为图2中c－c处的剖视图；
37.图10为本发明实施例的姿控舱主体的结构示意立体图；
38.图11为本发明实施例的隔板第一种实施方式的结构示意立体图；
39.图12为本发明实施例的隔板第一种实施方式的结构示意俯视图；
40.图13为本发明实施例的隔板第二种实施方式的结构示意立体图；
41.图14为本发明实施例的姿控舱主体的制备工艺流程图。
42.附图标记说明：
43.1－姿控舱主体、2－隔板、3－上法兰、4－上锥段加厚区、5－上锥段、6－腹板、7－主体连接孔、8－中心筒、9－腹板加厚区、10－下法兰、11－下锥段、12－下锥段加厚区、13－过渡区、14－中心筒加厚区、15－隔板内端板、16－隔板侧端板、17－隔板横板、18－隔板外端板、19－隔板连接孔、20－隔板中立板。
具体实施方式
44.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.在本发明的描述中需要说明的是，本说明书在描述方位时所采用的坐标系是以图2的姿态来确定的，相应视图的观察角度命名也是以此为基准，因此本说明书的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
48.本实施例提供一种一体化纤维复合材料姿控舱。
49.在一种实施方式中，如图1至14所示，其包括：姿控舱主体1和隔板2。
50.姿控舱主体1包括：上法兰3、下法兰10、上锥段5、下锥段11、中心筒8和腹板6。
51.中心筒8位于上法兰3和下法兰10之间，这三者从而形成了哑铃状结构。
52.上锥段5和下锥段11两者均呈锥状漏斗结构；上锥段5的大口与上法兰3的孔口、即该法兰盘内孔的边缘相连，上锥段5的小口与中心筒8顶端相连。下锥段11的大口与下法兰10的孔口相连，下锥段11的小口与中心筒8底端相连。
53.腹板6具有多个，各个腹板6围绕中心筒8轴心圆周分布在中心筒8外侧，腹板6的顶部与上法兰3连接，腹板6的底部与下法兰10连接，腹板6的一侧边朝内而另一侧边朝外，腹
板6的内侧边与上锥段5、中心筒8和下锥段11均形成连接。
54.上法兰3、下法兰10、上锥段5、下锥段11、中心筒8和各个腹板6采用纤维复合材料一体成型。优选可采用碳纤维增强环氧树脂基复合材料单向带和碳纤维增强环氧树脂基复合材料织物制成。还可以选择不同的树脂体系(双马树脂、环氧树脂、酚醛树脂等)，并根据不同的强度需求，也可以选择不同等级的碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维材料。
55.隔板2设置在成对的腹板6之间。隔板2可采用与姿控舱主体1相同材料制造，如采用碳纤维增强环氧树脂基复合材料单向带和碳纤维增强环氧树脂基复合材料织物制成，但因其受力要求较低，也可仅采用碳纤维增强环氧树脂基复合材料织物制成。
56.上述的姿控舱主体1、隔板2均可采用复合材料热压罐工艺制备，也即将预浸料按预设方向铺叠成的预成型体在封装之后放入热压罐内，再在一定预设温度和压力下完成固化的一种工艺方法。其具体制备的工艺流程可参见附图14：具体经理如下步骤：
57.1.预浸料准备：预浸料从冷库中取出后，使其达到使用环境温度且表面无凝结水时，打开塑料密封袋，取出预浸料。
58.2.下料：使用下料机将预浸料裁剪成合适的形状和大小，便于铺贴。
59.3.模具清理：检查模具，确认无局部损伤，使用洁净的工业抹布蘸取酒精擦拭模具表面，确保表面清洁无异物。
60.4.铺贴：按照铺层表及铺层分配要求，使用下料机下好的料块，在模具上铺贴预浸料。
61.5.预压：每隔3层进行一次预抽，排出预浸料内部之间的空气，防止产品出现内部质量缺陷。
62.6.固化：根据已设定好的工艺曲线，将模具和产品整体放入热压罐进行加温加压。
63.7.脱模：产品固化完成后，待模具表面温度降至60
°
后脱模取出产品。
64.8.后处理：按切割线切割产品，按孔位线对产品进行打孔，后对产品边缘和打孔过程中出现的毛刺进行修理。
65.9.无损探伤：使用超声扫描设备对产品进行全面积的超声波无损探伤。
66.本装置其姿控舱主体1通过呈哑铃状连接的上法兰3、下法兰10、上锥段5、下锥段11和中心筒8，并且配合设在哑铃空档内并大体围绕中心筒8轴心呈放射状布置的多个腹板6，共同构成了一个结构强度大、但材料用量低的结构体，并且该结构体还可使用碳纤维布并配合模具进行铺贴、再通过热压罐压合固化的工艺来一体化成型制造，从而使采用纤维复合材料的姿控舱主体1更加轻量化，其减重效果明显，相比金属材料制成的姿控舱可减重40％，应用于一般规格的运载火箭，其可提高有效载荷45kg以上，提高了运载火箭经济性，并可使载荷在调整姿态时的转动惯量下降，提高了调姿的操控性，并节省了调姿所耗燃料，从而降低携带燃料量进一步增强运载火箭有效载荷。其采用碳纤维复合材料制成后，质量可满足《gjb2895－1997碳纤维复合材料层合板和层合件通用规范》中的a级标准。并且因姿控舱主体1结构简单紧凑，其一体化成型工艺方案合理可行、模具制造简单、便于操作，产品制备周期短。且整体制备过程具有可重复操作性、良率高，可满足批量化生产的需求。
67.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图2、5和7所示，在中心筒8上设置有凸出于中心筒8外侧面的中心筒加厚区14，中心筒加厚区14围绕中心筒8轴心设置呈环状设置。中心筒8作为连接载荷和推力器的桥接核心部件，是传递轴向推力的主要部
件，因此在适当区域进行加厚可提高姿控舱主体1的整体力学性能。而中心筒加厚区14朝向中心筒8外侧凸出，可以方便模具从中心筒8内脱出，避免对脱模产生阻碍。
68.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图1和2所示，腹板6成对设置，每对腹板6中的两块腹板6相互平行，隔板2的两侧边与成对设置的腹板6一一对应连接，隔板2的一端朝外而另一端朝内，隔板2的内端与中心筒加厚区14相连。隔板2一方面可作为搭载动力装置的平台，另一方面也可作为姿控舱整体强度的加强件。但因为在两个腹板6之间一体成型隔板2增加了工艺复杂度，因此优选将隔板2与姿控舱主体1分体制造再组合安装的方案。而平行设置的腹板6便于隔板2的安装连接，也便于安装其他规则的附属设备，提高了姿控舱整机的组装简便性。且隔板2安装在中心筒加厚区14处可增强连接强度，提高了可靠性。
69.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图11至13所示，隔板2包括：隔板横板17、隔板侧端板16、隔板内端板15和隔板外端板18。隔板横板17为隔板2的主体部件。隔板内端板15设置在隔板横板17的内端，并与隔板横板17相垂直。隔板外端板18设置在隔板横板17的外端，并与隔板横板17相垂直。两个隔板侧端板16设置在隔板横板17的侧边，并与隔板横板17相垂直。隔板内端板15、隔板外端板18和两个隔板侧端板16合围成框状结构。在该框状结构内还可设置隔板中立板20，以进一步增强隔板2的强度。
70.在隔板内端板15和隔板侧端板16上均设置有隔板连接孔19，在中心筒加厚区14和腹板6上设置有与隔板连接孔19相适配的主体连接孔7，隔板连接孔19与主体连接孔7通过螺栓或铆钉连接。
71.开孔的方式便于在纤维复合材料制成的产品上实施，降低成型复杂度，通过螺栓或铆钉连接便可高效可靠地连接两个部件，提高了装配作业效率。并且姿控舱主体1和隔板2各区域均可设置开设其他孔，开孔形式可为螺栓孔、铆钉孔、管线通过孔、减重孔等，便于安装电器设备、电源设备、卫星支架、火工品设备、线缆设备等。
72.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图2、5和6所示，上锥段5靠近上法兰3的区域设置有上锥段加厚区4，上锥段加厚区4与上法兰3厚度相同。上锥段5作为连接上法兰3和中心筒8的部件，依靠其锥形结构起到了缓冲和分散轴向载荷的作用，而上法兰3作为连接所载航天器的部件，需要有足够的厚度来保证强度，而上锥段5靠近上法兰3的区域设置与上法兰3等厚的上锥段加厚区4，一方面减少了其他部位的厚度，比如上锥段5远离上法兰3的区域可以与中心筒8一同做成较薄的厚度，从而达到减重效果，另一方面又保证受力关键区具有足够强度，避免关键区域受到交变载荷的作用而意外断裂。
73.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图2、5和8所示，下锥段11靠近下法兰10和腹板6的区域设置有下锥段加厚区12，下锥段加厚区12下法兰10厚度相同。下锥段加厚区12用作类似于上锥段加厚区4，但不同之处在于，下锥段11作为整个姿控舱受到推力舱作用力的首要部件之一，担负着将轴向推力分散至各部件的作用，而腹板6作为传递轴向推力的重要部件，因此需要在下锥段11与腹板6的连接区进行一定加强，以提高下锥段11分配负荷的作用。
74.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图2、9和10所示，腹板6外侧边的下部设置有腹板加厚区9，腹板加厚区9朝向远离成对的腹板6之间的空隔方向凸出于腹板6表面。如上所说，腹板6是传递轴向推力的重要部件，但其自身为薄壁零件，需避免因
其自身弯曲而造成传力不均的问题。因此在受力变形的首要部位、即腹板6外侧边下部进行加强，使各个腹板6传递受力均衡，提高了姿控舱主体1的整体力学性能表现。
75.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图1所示，在成对的腹板6之间沿中心筒8轴向设置有多个隔板2。隔板2作为可搭载动力设备或控制设备的平台，设置多个隔板2可有效提高姿控舱的设备搭载能力，且更有利于优化设备布局结构。
76.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图1和2所示，腹板加厚区9处于下法兰10和最靠近下法兰10的隔板2之间。隔板2作为连接两个成对设置的腹板6的连接部件，可增强作为薄壁零件的腹板6结构强度，因此仅重点强化下法兰10和最靠近下法兰10的隔板2之间的腹板6，便可提高腹板6在受到轴向推力后的强度表现，避免设置过多的加厚区而减弱了姿控舱轻量化的优势效果。
77.以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图1所示，在上法兰3、下法兰10、上锥段5、下锥段11、中心筒8、腹板6、中心筒加厚区14、上锥段加厚区4、下锥段加厚区12和腹板加厚区9之间具有厚度变化的连接处设置有厚度逐渐改变的过渡区13，过渡区13在碳纤维复合材料铺层过程中通过丢层的方式实现。设置过渡区13可减少姿控舱主体1在受到交变载荷时的应力集中损伤，而通过丢层的方式实现过渡，可降低铺贴工序难度、减少工作量，保证了生产效率。
78.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，包括：姿控舱主体(1)和隔板(2)；姿控舱主体(1)包括：上法兰(3)、下法兰(10)、上锥段(5)、下锥段(11)、中心筒(8)和腹板(6)；中心筒(8)位于上法兰(3)和下法兰(10)之间从而构成哑铃状结构；上锥段(5)和下锥段(11)两者均呈锥状漏斗结构；上锥段(5)的大口与上法兰(3)的孔口相连，上锥段(5)的小口与中心筒(8)顶端相连；下锥段(11)的大口与下法兰(10)的孔口相连，下锥段(11)的小口与中心筒(8)底端相连；腹板(6)具有多个，各个腹板(6)围绕中心筒(8)轴心圆周分布在中心筒(8)外侧，腹板(6)的顶部与上法兰(3)连接，腹板(6)的底部与下法兰(10)连接，腹板(6)的一侧边朝内而另一侧边朝外，腹板(6)的内侧边与上锥段(5)、中心筒(8)和下锥段(11)均形成连接；上法兰(3)、下法兰(10)、上锥段(5)、下锥段(11)、中心筒(8)和各个腹板(6)采用纤维复合材料一体成型；隔板(2)设置在成对的腹板(6)之间。2.根据权利要求1所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，在中心筒(8)上设置有凸出于中心筒(8)外侧面的中心筒加厚区(14)，中心筒加厚区(14)围绕中心筒(8)轴心设置呈环状设置。3.根据权利要求2所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，腹板(6)成对设置，每对腹板(6)中的两块腹板(6)相互平行，隔板(2)的两侧边与成对设置的腹板(6)一一对应连接，隔板(2)的一端朝外而另一端朝内，隔板(2)的内端与中心筒加厚区(14)相连。4.根据权利要求3所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，隔板(2)包括：隔板横板(17)，隔板内端板(15)，设置在隔板横板(17)的内端，并与隔板横板(17)相垂直；隔板外端板(18)，设置在隔板横板(17)的外端，并与隔板横板(17)相垂直；两个隔板侧端板(16)，设置在隔板横板(17)的侧边，并与隔板横板(17)相垂直；隔板内端板(15)、隔板外端板(18)和两个隔板侧端板(16)合围成框状；在隔板内端板(15)和隔板侧端板(16)上均设置有隔板连接孔(19)，在中心筒加厚区(14)和腹板(6)上设置有与隔板连接孔(19)相适配的主体连接孔(7)，隔板连接孔(19)与主体连接孔(7)通过螺栓或铆钉连接。5.根据权利要求3所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，上锥段(5)靠近上法兰(3)的区域设置有上锥段加厚区(4)，上锥段加厚区(4)与上法兰(3)厚度相同。6.根据权利要求5所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，下锥段(11)靠近下法兰(10)和腹板(6)的区域设置有下锥段加厚区(12)，下锥段加厚区(12)下法兰(10)厚度相同。7.根据权利要求6所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，腹板(6)外侧边的下部设置有腹板加厚区(9)，腹板加厚区(9)朝向远离成对的腹板(6)之间的空隔方向凸出于腹板(6)表面。8.根据权利要求7所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，在成对的腹板(6)之间沿中心筒(8)轴向设置有多个隔板(2)。9.根据权利要求8所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，腹板加厚区(9)处
于下法兰(10)和最靠近下法兰(10)的隔板(2)之间。10.根据权利要求7所述的一体化纤维复合材料姿控舱，其特征在于，在上法兰(3)、下法兰(10)、上锥段(5)、下锥段(11)、中心筒(8)、腹板(6)、中心筒加厚区(14)、上锥段加厚区(4)、下锥段加厚区(12)和腹板加厚区(9)之间具有厚度变化的连接处设置有厚度逐渐改变的过渡区(13)，过渡区(13)在纤维复合材料铺层过程中通过丢层的方式实现。

技术总结
本发明提供了一种一体化纤维复合材料姿控舱，包括：姿控舱主体和隔板；姿控舱主体采用纤维复合材料一体成型，其包括：上法兰、下法兰、上锥段、下锥段、中心筒和腹板。中心筒位于上法兰和下法兰之间从而构成哑铃状结构；上锥段和下锥段两者均呈锥状漏斗结构；上锥段的大口与上法兰的孔口相连，上锥段的小口与中心筒顶端相连；下锥段的大口与下法兰的孔口相连，下锥段的小口与中心筒底端相连；腹板具有多个并围绕中心筒轴心圆周分布在中心筒外侧，腹板顶部与上法兰连接，腹板底部与下法兰连接，腹板内侧边与上锥段、中心筒和下锥段均形成连接。隔板设置在成对的腹板之间。其克服了现有金属姿控舱因重量大而造成经济性下降、调姿难度加大的缺陷。度加大的缺陷。度加大的缺陷。


技术研发人员：释加才让 崔雅静 焦龙 王冠 于勇智 杨海龙 蒋世英 吴建康
受保护的技术使用者：北京天仁道和新材料有限公司
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/6/26