薛碧潔，鄒 爽，韓明芬，王禹慧

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部； 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部： 北京 100094）

0 引言

以往的常規(guī)研制流程中，一般衛(wèi)星的生產(chǎn)模式為單星研制、單星發(fā)射，衛(wèi)星在完成總裝、試驗(yàn)后隨即發(fā)射，即使存放，時(shí)間也較短，相比同為航天產(chǎn)品的武器裝備的貯存時(shí)間更是短暫[1]。我國(guó)成功發(fā)射的衛(wèi)星的地面研制時(shí)間一般不超過(guò)3年，因此很少有人關(guān)注地面貯存對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的影響情況。

然而，衛(wèi)星星座和快速響應(yīng)衛(wèi)星的研制呈現(xiàn)出“批量化生產(chǎn)、按需發(fā)射”的特點(diǎn)：衛(wèi)星完成總裝、試驗(yàn)后隨即進(jìn)入貯存狀態(tài)，后期根據(jù)任務(wù)安排擇機(jī)發(fā)射。例如，美國(guó)空軍的DMSP雙星星座系統(tǒng)，最后一顆衛(wèi)星發(fā)射前已在地面貯存16年[2]。行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，衛(wèi)星的存儲(chǔ)時(shí)間超過(guò)6個(gè)月即為長(zhǎng)期貯存[3]。星座等類型的衛(wèi)星地面貯存時(shí)間為3～15年不等，因此長(zhǎng)期貯存已成為衛(wèi)星研制中一種新的環(huán)境條件和影響衛(wèi)星性能的重要因素。長(zhǎng)期貯存后的星內(nèi)單機(jī)設(shè)備存在老化失效風(fēng)險(xiǎn)，星上結(jié)構(gòu)板存在復(fù)合材料性能衰退及外形變化等風(fēng)險(xiǎn)，膠黏劑等輔助材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)亦可能退化。因此，經(jīng)歷長(zhǎng)期貯存的衛(wèi)星在重啟前均須進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)或測(cè)試，逐一檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足發(fā)射要求，并對(duì)不合格項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)救，工作量大且經(jīng)濟(jì)效益低下。鑒于此，亟需對(duì)貯存后衛(wèi)星的各項(xiàng)性能進(jìn)行分析研究，以完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提高生產(chǎn)效能、降低研制成本。

本文以某顆從星體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)完成直至發(fā)射升空前后歷時(shí)9年的衛(wèi)星為例，依據(jù)此衛(wèi)星以及同類型其他衛(wèi)星的工程數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，總結(jié)長(zhǎng)期貯存后衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的形變規(guī)律，探尋影響結(jié)構(gòu)變形的原因，以期對(duì)后續(xù)衛(wèi)星的貯存設(shè)計(jì)、貯存試驗(yàn)以及貯存后影響分析提供指導(dǎo)和借鑒。

1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)概述

本文研究的長(zhǎng)期貯存衛(wèi)星，其結(jié)構(gòu)主體由推進(jìn)艙和通信艙組成（如圖1所示），在艙段總裝完成后即轉(zhuǎn)入貯存狀態(tài)。貯存時(shí)，推進(jìn)艙等結(jié)構(gòu)放置于衛(wèi)星支架車(chē)上，在衛(wèi)星總裝大廳環(huán)境下貯存；通信艙安裝在通信艙保持架上，放置于專用包裝箱內(nèi)貯存。

衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)由承力筒和結(jié)構(gòu)板連接而成，承力筒與結(jié)構(gòu)板在貯存后呈現(xiàn)不同的形變規(guī)律。本文選取承力筒和典型結(jié)構(gòu)板——對(duì)地板為例，根據(jù)工程數(shù)據(jù)總結(jié)結(jié)構(gòu)在貯存后的形變規(guī)律。

圖1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主體形式Fig.1 Main structure of the satellite

2 承力筒形變分析

2.1 承力筒貯存形式

承力筒屬于衛(wèi)星推進(jìn)艙，是星體中的主承力結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 承力筒結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Structural configuration of central column shell

推進(jìn)艙貯存時(shí)，承力筒中框至下框之間的部分被14塊結(jié)構(gòu)板組成的封閉箱體固定，其他部分為自由狀態(tài)，如圖3所示。貯存結(jié)束后，可測(cè)量得到承力筒最下端對(duì)接框的尺寸；同時(shí)，在進(jìn)行貯箱安裝時(shí)，可觀察到承力筒上部和中部的形變規(guī)律。

圖3 承力筒貯存時(shí)與周邊結(jié)構(gòu)板的連接關(guān)系示意Fig.3 Connection between central column shell and structure panels around it

2.2 對(duì)接框形變規(guī)律分析

對(duì)接框是位于承力筒最下端的鋁合金圓環(huán)，其通過(guò)碳布與承力筒本體膠接固連（如圖4所示），對(duì)接框的尺寸和圓度指標(biāo)可通過(guò)±x、±y象限處的直徑測(cè)量值來(lái)衡量。對(duì)某衛(wèi)星承力筒的對(duì)接框±x、±y象限處的直徑，在生產(chǎn)后、部裝后、長(zhǎng)期貯存后均進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖4 對(duì)接框與承力筒的連接關(guān)系示意Fig.4 Connection between docking ring and central column shell

表1 承力筒對(duì)接框±x、±y象限處直徑測(cè)量值Table 1 Diameters at ±x、±y quadrant of the docking ring

對(duì)接框與承力筒的連接部分近似于薄壁結(jié)構(gòu)，且承力筒內(nèi)芯與碳布均為柔性材料，因此兩者連接部分的形狀保持能力較差，此區(qū)域的變形將直接影響對(duì)接框±x、±y象限處的直徑值。由表1可知，承力筒生產(chǎn)完成后±x象限間比±y象限間的直徑略大0.28 mm；7個(gè)月后，結(jié)構(gòu)部裝完成，這一趨勢(shì)有所放大；在經(jīng)歷7年的貯存后，±x象限間與±y象限間的直徑差值已經(jīng)達(dá)到0.85 mm。由于衛(wèi)星對(duì)接框的形變以金屬和復(fù)合材料的蠕變?yōu)橹?，變化非常緩慢，可近似認(rèn)為衛(wèi)星部裝期間與長(zhǎng)期貯存期間的對(duì)接框形變均為線性變化，以存放時(shí)間與直徑形變量為橫縱坐標(biāo)繪制折線圖，如圖5所示。

圖5 對(duì)接框形變規(guī)律Fig.5 Deformations of docking ring

可以認(rèn)為，由于復(fù)合材料的應(yīng)力釋放、衛(wèi)星貯存期間所受重力等因素的影響，承力筒一直在發(fā)生緩慢的形變。同時(shí)，由于承力筒下端與幾塊結(jié)構(gòu)板相連，受力狀態(tài)復(fù)雜，通過(guò)對(duì)對(duì)接框上均布的48個(gè)點(diǎn)進(jìn)行位置追蹤測(cè)量發(fā)現(xiàn)，變形后的對(duì)接框并非均勻的橢圓形，如圖6所示。

圖6 形變量等比放大300倍的對(duì)接框形狀示意Fig.6 Deformation of the docking ring with 300 times scale-up

2.3 貯箱安裝點(diǎn)處形變規(guī)律分析

貯箱安裝點(diǎn)包括上貯箱安裝點(diǎn)和下貯箱安裝點(diǎn)，分別位于承力筒的上部和中部，位置參見(jiàn)圖2。貯箱耳片分布為正圓形，緊固件穿過(guò)承力筒的貯箱安裝點(diǎn)擰緊于貯箱耳片上。為抵消承力筒的形變誤差并保證貯箱安裝點(diǎn)與貯箱耳片接觸面的完全貼合，需在各安裝點(diǎn)處增加或去除墊片，如圖7所示。

圖7 貯箱安裝示意圖Fig.7 Inatallation diagram of tanks

當(dāng)貯箱安裝點(diǎn)需增加墊片時(shí)，表示承力筒該處凹陷，與貯箱耳片間隙過(guò)小，此處承力筒的直徑小于理論值；同理，當(dāng)貯箱安裝點(diǎn)需去除墊片時(shí)，表示承力筒該處外凸，與貯箱耳片間隙過(guò)大，此處承力筒的直徑大于理論值。對(duì)某衛(wèi)星安裝上下貯箱時(shí)墊片的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖8所示，圖中標(biāo)注有數(shù)字的位置表示該序號(hào)安裝點(diǎn)需增加墊片。由圖可見(jiàn)，安裝上貯箱時(shí)，共10處安裝點(diǎn)需增加墊片；安裝下貯箱時(shí)，只有1處安裝點(diǎn)需增加墊片。這表明承力筒上貯箱安裝點(diǎn)處的凹陷形變明顯大于下貯箱安裝點(diǎn)。其原因是，在貯存過(guò)程中承力筒中部受結(jié)構(gòu)板構(gòu)成的封閉箱體約束，而上部處于自由狀態(tài)。

圖8 安裝上、下貯箱時(shí)增加墊片的位置示意Fig.8 Positions of adding fillers during installing tanks

對(duì)其他9顆同類衛(wèi)星貯箱連接點(diǎn)處安裝墊片的增/減情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖9所示，短線在圓內(nèi)表示該安裝點(diǎn)處有衛(wèi)星需增加墊片，在圓外表示需去除墊片，短線的數(shù)量代表需增加/去除墊片的衛(wèi)星數(shù)量。例如，圖9(a)上貯箱的11#安裝點(diǎn)處，圓內(nèi)有6條短線，表示共有6顆衛(wèi)星在此處需增加墊片。由圖9可以看出，同類型的9顆衛(wèi)星在上貯箱安裝點(diǎn)處增加墊片的位置幾乎一致，在下貯箱安裝點(diǎn)處去除墊片的位置鄰近，反映出該類型承力筒的形變并非隨機(jī)發(fā)生，而是在設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)以及結(jié)構(gòu)板連接形式等內(nèi)外因素的共同影響下，按照相似的規(guī)律發(fā)生的。因此，同類型9顆衛(wèi)星在貯箱安裝點(diǎn)處增/減墊片的平均值可代表某衛(wèi)星按照正常研制流程安裝貯箱時(shí)增/減墊片的情況。

圖9 上、下貯箱各安裝點(diǎn)增/減貯箱墊片的數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistics of adding or subtracting fillers during installing tanks

將某衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝時(shí)與經(jīng)歷貯存8年后在安裝貯箱時(shí)的墊片使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比（如表2所示），可以看出，經(jīng)歷貯存的衛(wèi)星，承力筒上貯箱安裝點(diǎn)處增加墊片的數(shù)量顯著增多，表明上貯箱安裝點(diǎn)處的形變?cè)龃?。也就是說(shuō)，與承力筒下端一樣，承力筒中部及上端也在發(fā)生緩慢的形變。

表2 不同安裝時(shí)機(jī)增/減墊片數(shù)量對(duì)比Table 2 Comparison table of adding or subtracting fillers

3 結(jié)構(gòu)板形變分析

3.1 典型結(jié)構(gòu)板貯存形式

隸屬于通信艙的對(duì)地板是典型結(jié)構(gòu)板，選取其作為結(jié)構(gòu)板形變的研究對(duì)象。貯存形式如圖10所示：通信艙固定在通信艙保持架上，保持架與地面支撐平臺(tái)相連；對(duì)地板的兩側(cè)邊與保持架相連，而豁口區(qū)域處于自由狀態(tài)。

圖10 通信艙貯存形式Fig.10 Storage form of the payload module

3.2 對(duì)地板形變規(guī)律分析

在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝時(shí)和經(jīng)歷貯存8年后，分別測(cè)量對(duì)地板上49個(gè)安裝點(diǎn)的位置度。以各安裝點(diǎn)與對(duì)地板幾何中心的距離為標(biāo)準(zhǔn)劃分區(qū)域，統(tǒng)計(jì)安裝點(diǎn)的位置變化規(guī)律（如表3所示），發(fā)現(xiàn)安裝點(diǎn)越靠近對(duì)地板邊沿，平均形變量越大；越靠近對(duì)地板中心，平均形變量越小。

表3 對(duì)地板安裝點(diǎn)形變分布Table 3 Deformations at installation points on the ground panel

按照對(duì)地板上安裝點(diǎn)分布區(qū)域劃分并取最大值，標(biāo)出對(duì)地板各區(qū)域形變方向（用箭頭方向標(biāo)注）及最大形變量，如圖11所示。在與承力筒對(duì)接后，更靠近連接處的最大變形位置甚至產(chǎn)生了裂痕，如圖12所示。由圖可見(jiàn)，在經(jīng)歷長(zhǎng)期貯存后，對(duì)地板與承力筒一樣，也發(fā)生了緩慢形變，該形變?cè)谡宸秶鷥?nèi)是連續(xù)的，與距離對(duì)地板幾何中心的遠(yuǎn)近成正比；而在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中復(fù)合材料的內(nèi)部應(yīng)力和裝配應(yīng)力逐步釋放，當(dāng)復(fù)合材料可能存在初始缺陷時(shí)，即使是通信艙與承力筒對(duì)接時(shí)較小的沖擊載荷，也將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷擴(kuò)展，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷。

圖11 貯存8年后對(duì)地板各部位形變大小及方向Fig.11 Deformations and directions for the ground panel after 8 years storage

圖12 對(duì)地板最大形變處的裂痕Fig.12 The craft at the maximum deformation of ground panel

4 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)形變?cè)蚍治?/h2>

地面長(zhǎng)期貯存后，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)形變?nèi)Q于結(jié)構(gòu)板復(fù)合材料的性能變化，以及膠黏劑的形狀及性能變化，其主導(dǎo)因素包括復(fù)合材料的殘余應(yīng)力釋放、蠕變及性能退化3個(gè)方面。

根據(jù)熱彈性理論可知，由于固化溫度的影響，固化成形的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)存在一定的內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力），這些應(yīng)力有時(shí)很高，足以造成復(fù)合材料的損壞[4]。產(chǎn)品脫模后，一部分應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固化變形；另一部分應(yīng)力在工件中以殘余應(yīng)力的形式長(zhǎng)久存在[5]。因此，在衛(wèi)星的長(zhǎng)期貯存過(guò)程中，結(jié)構(gòu)會(huì)由于殘余應(yīng)力的逐步釋放而發(fā)生形變或破壞。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)常用的復(fù)合材料基體（環(huán)氧樹(shù)脂）是一種黏彈性材料。黏彈性材料在恒定載荷下變形隨時(shí)間增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為蠕變[6]。一定應(yīng)力水平下蠕變的過(guò)程分為瞬態(tài)蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和非穩(wěn)態(tài)蠕變3個(gè)階段；如果應(yīng)力水平較低，可不出現(xiàn)第三階段；如果應(yīng)力水平較高接近材料強(qiáng)度極限，可縮短第二階段而很快進(jìn)入第三階段[7]。衛(wèi)星貯存過(guò)程中，結(jié)構(gòu)承載著自身和星上設(shè)備的重量，此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力較小，但在長(zhǎng)期作用下，由于蠕變帶來(lái)的結(jié)構(gòu)形變逐漸增大，并可能與熱應(yīng)力、外部載荷等共同造成結(jié)構(gòu)破壞。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板中的非金屬材料在貯存過(guò)程中存在性能退化的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：碳纖維復(fù)合材料自然放置8年后，抗壓強(qiáng)度將下降約6%；J78環(huán)氧膠貯存10年后，強(qiáng)度性能保持率在80%左右。因此在衛(wèi)星長(zhǎng)期貯存過(guò)程中，結(jié)構(gòu)會(huì)由于非金屬材料的性能退化產(chǎn)生形變或破壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論的衛(wèi)星經(jīng)歷9年貯存后，承力筒下端對(duì)接框的形變已超出發(fā)射條件允許，故采取了更換措施；結(jié)構(gòu)板上出現(xiàn)的裂痕則通過(guò)局部補(bǔ)強(qiáng)的形式予以彌補(bǔ)。通過(guò)此經(jīng)歷長(zhǎng)期貯存并成功發(fā)射的衛(wèi)星以及其他同類型衛(wèi)星的工程數(shù)據(jù)比對(duì)分析，總結(jié)出長(zhǎng)期貯存后衛(wèi)星典型結(jié)構(gòu)的形變規(guī)律如下：

1）在貯存過(guò)程中，以承力筒和對(duì)地板為代表的典型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)均發(fā)生長(zhǎng)期且緩慢的形變。

2）對(duì)于板筒式結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星，處于自由無(wú)約束狀態(tài)的結(jié)構(gòu)變形大，而受封閉箱體約束的結(jié)構(gòu)因承受裝配應(yīng)力，表現(xiàn)出的宏觀變形相對(duì)較小。因此，若結(jié)構(gòu)體在衛(wèi)星后續(xù)制造過(guò)程中無(wú)分拆，則以組合體的形式貯存可較大程度上減小結(jié)構(gòu)的形變。

3）承力筒的形變趨勢(shì)由內(nèi)在因素及結(jié)構(gòu)裝配狀態(tài)共同決定，同類型衛(wèi)星的承力筒具有相似的形變規(guī)律。

4）長(zhǎng)期貯存狀態(tài)下，當(dāng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料存在初始缺陷時(shí)，即使是較小的沖擊載荷，也將導(dǎo)致局部缺陷擴(kuò)展，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷。

根據(jù)以上衛(wèi)星貯存后的結(jié)構(gòu)形變規(guī)律以及可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的因素分析，可按照自由輔材板、封閉箱體等形式開(kāi)展衛(wèi)星結(jié)構(gòu)貯存對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)衛(wèi)星的長(zhǎng)期貯存設(shè)計(jì)及影響分析均有借鑒意義。