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解密啦,天问一号火星环绕器结构设计原来这么复杂

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发表于 2021-2-11 12:14:55 | 显示全部楼层 |阅读模式


随着 2 月 10 日晚上天问一号火星探测器成功被火星引力捕获、绕火星轨道飞行,中国航天科技集团上海航天技术研究院结构团队终于长舒了一口气。历经十年攻关,凭借完全由我国自主研发的结构技术创造历史的环绕器结构,也揭开了其神秘面纱。
为了克服地球的强大引力飞向火星,由环绕器和着陆巡视器组成的天问一号探测器总重量不能超过 5000 公斤,但为了到达遥远的火星,又至少需要携带 2500 公斤的推进剂。除去着陆巡视器占去的 1300 公斤重量份额,环绕器自身重量被严格限制在 1200 公斤之内。
这 1200 公斤包含结构和其他各种设备的重量,还要兼顾 2.5 米可展开驱动天线、太阳电池阵、高分辨率相机等多种大体积设备的安装要求。如何在重量有限的情况下实现高效的承载和设备安装,成为上海航天结构团队面前的一只拦路虎。
" 对于航天器来说,质心(物体质量集中点)越低、重量越轻,发射成本就越小,所以结构构型设计的目标就是要尽量降低质心,优化重量,同时兼顾设备安装需求。" 环绕器结构主任设计师王建炜告诉记者,围绕着这个核心原则,结构团队先后开展了多轮结构构型论证。
经过一轮又一轮的反复论证,最终结构团队创新性地提出了 " 中心承力锥筒 + 内部贮箱下探 + 外部六面柱体 " 的深空探测结构构型。该创新构型在结构系统中的应用尚属首次,它可以完美实现如下目标——着陆巡视器通过中心承力锥筒直接传递力,传力路径简单,增加着陆巡视器的结构可靠性;充分利用火箭支撑筒的 " 富余 " 空间,内部大容积贮箱并联式下探布局,显著降低探测器质心高度,使环绕器在发射段受载相对减少,更有利于控制环绕器重量;外部六面柱体则能为 2.5 米天线、太阳电池阵和高分辨率相机等大体积设备提供充足的安装空间。
对于天问一号而言,多一克的重量,付出的发射成本远超一克黄金。
尽管创新构型为 " 减重 " 奠定了重要基础,然而,团队距离苛刻的目标重量要求还有着巨大差距。为了继续 " 减重 ",结构团队又把目光投向重量最大的结构核心部件——中心承力筒。
" 传统的中心承力筒,筒体结构普遍采用碳纤维蒙皮蜂窝夹层结构,受力较大、载荷复杂的上下端框则采用铝合金材料,整体重量较大。" 结构团队孔祥宏坚信,要继续减重,就必须从结构核心部件这一重点打破传统。
一个大胆的设想逐渐浮出水面——固有上端框采用相比传统金属材料更加轻质的全复合材料,下端框采用整体复合材料 + 局部金属镶块的设计是否可行?严格而精细的理论计算显示,该方案能够使环绕器整体结构相比采用传统构型的方案减重 30% 以上。然而,这跟传统的做法相差甚远,而且又是准备应用于火星探测如此重大的任务中。复合材料端框能否直接使用?能否承受得住探测器发射时所受的力和载荷?最初,结构团队成员心中也有着很多怀疑。
干航天需要严谨务实,也要敢于 " 异想天开 "。
经过精细的仿真计算,上海航天结构团队最终确认了该方案的可行性,复合材料端框承力筒最终也顺利通过了力学试验验证,并在火星环绕器上得以应用。新型结构构型和全复合材料主承力结构的应用,使得火星环绕器彻底解决了在苛刻限重的条件下实现高效的承载和设备安装的问题。
而正是这样对结构设计的苛刻追求,让天问一号探测器的火星之旅一路高歌。
栏目主编:刘锟 本文作者:刘锟 文字编辑:刘锟 题图来源:上海航天

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