石墨纤维增强铝基复合材料在空间遥感器结构中的应用

为了设计和制造出性能更加优越的空间遥感器,对一种新型航天材料—石墨纤维增强铝基复合材料(Gr/Al)进行了研究。首先,突破了石墨纤维与铝合金的界面反应控制、纤维铺层和缠绕设计等关键技术,成功制备了石墨纤维增强铝基复合材料,材料的密度为2.12×10^3 Kg/m^3,弹性模量为129GPa,线膨胀系数为5.0×10^-6/K。接着,针对这种复合材料,摸索出一套完整的加工和后处理工艺。首次把这种复合材料应用在空间红外遥感器镜筒结构设计中,设计的镜筒较之钛合金镜筒减重31.8%。最后,完成了镜筒组件的加工和装配,透镜的装校,随机振动试验。试验结果表明,镜筒组件的一阶谐振频率为284Hz,大于100Hz的设计要求,振动试验后光学系统没有发生变化。上述工作表明石墨纤维增强铝基复合材料在航天遥感领域具有较高的应用价值。     

纤维增强铝基复合材料研究进展

综述了纤维增强铝基复合材料研究进展，概述了纤维增强体的性能特点和制备方法，简介了纤维增强铝基复合材料的主要制造方法，并对几种典型的纤维增强铝基复合材料的特性、制造工艺和研究应用现状进行了论述。     

石墨短纤维增强镁基复合材料

石墨短纤维增强镁基复合材料在制造工艺上比长纤维增强铝基复合材料具有优势。本文采用制造费用最低的铸造法制备出体积分数为１５％的石墨短纤维增强镁基复合材料，并研究了复合材料的界面。     

石墨颗粒铝基复合材料的制备

本文讨论了用低压铸造法制造石墨颗粒铝基复合材料,研究了铝液温度、保温时间和石墨颗粒度对铝液渗入石墨粒子层深度的影响。结果表明,该技术简单易行,只要适当控制这些参数就能制造出有适当渗入深度及较高体积分数的石墨颗粒铝基复合材料。     

碳纳米管增强铝基复合材料的研究进展

介绍了碳纳米管增强铝基复合材料的研究现状,通过对比不同制备工艺以及碳纳米管增强铝基复合材料的抗拉强度、硬度、伸长率等力学性能,总结了粉末冶金法、高能球磨法、热喷涂法以及其它新技术的优缺点,同时阐述了复合材料制备过程中存在的问题及解决方法;此外还介绍了碳纳米管的强化机制;最后讨论了碳纳米管增强铝基复合材料未来的发展方向和研究重点。     

SiCp增强铝基复合材料与芳纶纤维增强摩擦材料摩擦副摩擦学特性与模型研究

对 Si Cp含量为 2 0 % (vol% )的铝基复合材料和芳纶纤维增强摩擦材料组成的摩擦副在干摩擦条件下的摩擦学特性进行了试验研究。试验表明 :摩擦副的摩擦系数受 Kevlar增强摩擦材料的热分解温度所控制 ,当温度低于2 0 0℃时 ,摩擦系数随滑动速度和温度增大而增大 ,并处于较高水平 ;当温度高于 2 0 0℃时 ,摩擦材料发生热分解 ,摩擦系数急剧下降到较低水平。摩擦材料具有磨损量和磨损率随滑动速度增加而减小的明显特征 ,摩擦副具有良好的耐磨性。建立了描述该摩擦副摩擦特性的数学模型。并用其解释了实验中的摩擦学现象。     

铝基复合材料制备方法与增强体颗粒的形成机制

铝基复合材料的应用日趋广泛。本文从制备方法和增强颗粒形成机理角度介绍铝基复合材料,为今后的研究做好铺垫。制备方法有固-液反应、气-液-固反应和固-固反应三种类型,增强颗粒形成有四种机理:溶解-析出机制、固-液界面反应机制、固-固界面反应机制和固态扩散反应机制。制备方法不同,增强体颗粒的形成机理也不同。     

氧化铝晶须增强铝基复合材料的应用前景

介绍了晶须的性质及铝基复合材料的性能特点,概述了国内外研究现状,提出了用水热法制备三氧化二铝晶须的新思路,分析了氧化铝晶须增强铝基的应用前景.阐明了开发氧化铝晶须的意义.     

纳米石墨/铝基复合材料的摩擦磨损性能

采用粉末冶金和热压烧结的方法制备了纳米石墨/铝基复合材料,分析了纳米石墨加入量对复合材料摩擦磨损性能的影响.结果表明:纳米石墨的加入量为1%时,在基体中易于分散,可以显著降低复合材料的摩擦因数;但随着纳米石墨含量的增加,材料的磨损量也相应增大.     

氧化铝增强铝基复合材料液态成型中的界面反应

分析了陶瓷纤维或颗粒增强铝基复合材料中出现的主要界面反应产物即MgAl2O4的形成规律、形成条件及材料的作用，并提出了抑制该反应的途径及方法。     

碳纤维增强复合材料在空间光学结构中的应用

测试了碳纤维/环氧复合材料的力学性能,设计并测试了热膨胀系数,然后测试了空间辐射后的材料性能,并研究了在空间光学结构中应用碳纤维/环氧复合材料制品的工艺方法。研究表明:碳纤维/环氧复合材料具有高的比强度和比刚度,较铝合金结构可以减重30%以上;碳纤维/环氧复合材料的热膨胀系数可以根据需要进行设计,在需要的方向上可以设计成 "零"或负的热膨胀系数;在空间辐射条件下,碳纤维/环氧复合材料性能良好,其总质量损失为0.15%、可挥发的冷凝物质为7.66×10^-5 g/g、24 h水汽回吸率为0.12%。结果表明,碳纤维/环氧复合材料具有优良的性能指标,在空间光学结构中有广泛的应用。     

空间光学遥感器反射镜柔性支撑的设计

为降低光学遥感器反射镜在复杂且恶劣的空间环境下的面形误差,设计了一种柔性支撑结构,使反射镜在具有良好的热尺寸稳定性的同时结构刚度满足力学要求。针对某长圆形光学反射镜组件,通过设置柔性铰链的厚度、最薄处厚度和柔性铰链圆弧半径3个特征参数,对柔性铰链进行合理的结构设计。采用有限元法对反射镜组件在力热耦合状态下的面形精度和结构强度及结构的动态刚度进行仿真分析,结果表明,反射镜面形PV值由350.08nm降至59.03nm,RMS值由102.67nm降至9.11nm,柔性结构保证了反射镜的热尺寸稳定性,同时满足力学要求。最后,对反射镜组件的力热模拟件进行力学试验,得到的结果显示其3个方向的基频分别达到264Hz,290Hz和320Hz。这些结果表明,该柔性支撑结构设计方案是合理可行的。     

离轴空间遥感器主支撑结构设计

长焦距离轴三反(TMA)空间光学遥感器各光学元件的位置精度和动态稳定性与其主支撑结构相关,因此,本文研究了遥感器主支撑结构设计方案.对比分析了主支撑结构的常用形式,确定了桁架结构方案,并对其进行了材料选择和连接工艺分析.推导了三杆结构(桁架基本单元)的一阶频率解析式,并确定了其最佳形式.在初始设计的基础上,利用灵敏度分析和参数优化设计方法得到了一种24杆式主支撑结构.作为验证,对该支撑结构进行了静态翻转和动力学试验.试验结果表明,主支撑由竖直状态翻转到水平状态后,前端倾角变化小于10″,一阶固有频率为55 Hz,振动试验中支杆最大应力为135 MPa,满足各项设计指标要求.     

空间光学遥感器轨道外热流的模拟

通过热平衡试验,探索飞行器及其组件特别是关键光学组件受空间高真空和超低温环境作用的热效应规律、验证其热设计的正确性、修正热分析模型以及考核热控系统维持各组件和整个系统在规定工作温度范围内的能力,其中非常重要的一项任务在于采用合理的模拟方法和适宜的加热装置来模拟其轨道外热流的等效作用.针对其结构、表面特性、外热流分布的特点和热平衡试验的要求,叙述了一种轨道外热流的红外模拟方法和工程算法,着重提出了空间光学遥感器外露光学组件轨道外热流的模拟方法及其装置.借助计算机软件,在验证和修正的基础上,确定模拟装置的红外加热片的参数.研究结果提供了一种模拟飞行器组件、空间光学遥感器光学组件外热流的途径.     

同轴空间相机碳纤维复合材料桁架结构的研制

从某空间相机的任务需求出发,提出了采用基于碳纤维复合材料的高精密桁架作为主次镜间的支撑结构,完成了相关设计和工程分析,并在加工制造过程中,对相关工艺流程进行了探索.确定了相关结构的制造工艺流程,实现了该结构的高精密加工.最后,深入开展了相关振动、力学和温度稳定性试验,搭建了基于光学测量方法的自动测试平台,排除了人为因素的影响,实现了快速多次自动测量,从而提高了测试精度.分析和试验结果表明:所研制的大型碳纤维桁架质量仅为13 kg,基频达到119 Hz,在重力、10℃温升和4℃温差条件下的变形均小于4″,各组件φ864 mm安装接口的平面度优于8μm,同时实现了高度轻量化和高稳定性.该桁架已成功应用于某空间相机中,提出的设计、试验方案和工艺流程可以作为其它同型空间相机结构设计的技术参考.     

空间遥感器大口径反射镜的复合支撑结构

针对空间遥感器反射镜对支撑功能的需求,设计了一种应用于空间领域的大口径反射镜复合支撑结构。该复合支撑结构包括A框加切向拉杆的周边支撑和3组whiffletree结构组成的背部支撑。研究了复合支撑的支撑原理和工程实现。基于功能分配和指标分配的理念设计了复合支撑结构。采用有限元分析的手段对设计结果进行了静力学和动力学仿真验证,然后对实际的支撑系统进行了相关的试验测试。试验结果表明,采用复合支撑的反射镜组件在工作状态下的面形精度优于λ/50(λ=632.8nm),镜体刚体位移小于0.01mm,镜体转角小于2″,质量小于50kg。整个组件模态分布合理,基频为161Hz,远高于设计要求的120Hz。各项仿真和测试结果均表明该复合支撑效果良好,满足空间遥感器对可靠性和稳定性的需求。     

空间遥感器支撑桁架的模态计算与试验

为保证空间遥感器成功发射,采用有限元法计算了主要承受动力学载荷支撑桁架的模态特性,用锤击法对支撑桁架实物进行了模态测试。对计算结果与试验结果的模态频率进行了对比,用视觉比较、模态置信准则等方法进行了模态振型相关性分析。结果表明,桁架结构的一阶频率为154 Hz,满足了一阶频率＞140 Hz的设计要求;桁架结构的有限元模型平均频率计算误差＜10%,局部存在与试验结果相关性＜0.5的振型,需要进一步的修正,才能满足后续工程的应用要求。     

同轴轻型空间遥感器支撑桁架的设计与试验

为满足空间遥感器的高度轻量化要求,提高其结构的基频,减少100 Hz以下低频振动的影响,研究了高比刚度的轻型支撑桁架结构。针对同轴长焦距光学系统,基于三角形稳定的原理设计了一种6杆碳纤维复合材料桁架结构,并基于有限元法完成了其优化设计,使其质量降低了11%。为验证其可行性,研制了力学模拟件,进行了工程分析和动力学试验,并讨论了分析和试验的误差来源。分析和试验显示,模拟件的固有频率超过了120 Hz,表明所设计的支撑桁架合理可行,能够满足长焦距空间遥感器的使用要求。该结构在质量为13 kg的前提下,解决了目前该型遥感器基频较低的难题,该设计已成功应用于某相机结构中。     

空间光学遥感器扫描控制系统设计

研究了正弦波永磁同步电机驱动的空间光学遥感器扫描控制系统。采用复合控制与微分负反馈相结合的控制策略,实现了扫描镜的低速高精度往复运动。分析了扫描镜运动的数学模型,建立了d-q坐标系下的永磁同步电机数学模型;采用id=0矢量控制策略,在MATLAB/SIMULINK环境下搭建了基于空间矢量脉宽调制技术的控制系统仿真模型,设计了电流环、速度环和位置环调节器,给出了仿真结果。实验验证显示:采用复合控制后,仿真得到恒速运行的平均速度误差由1.27%优化到0.92%,扫描镜在恒速扫描过程中稳态平均角速度误差为2.06%,满足扫描镜系统速度精度优于5%的设计要求。理论分析、仿真和实验证明:该控制方法能够较好地改善控制系统的动态特性,具有调节时间短、超调小和动态响应准确等优点。