卫星结构设计与分析(上)

某微小卫星结构轻量化设计研究陈靖;张翔;陈卫东【摘要】对某对地观测微小卫星初样星的结构优化进行了研究.建立了该卫星的有限元模型,对卫星的主承力结构进行了结构尺寸和材料优化,结果表明结构尺寸优化在满足整星有足够静、动态特性的前提下使总质量减少了5.66 kg,占结构总质量的28.3％;用碳纤维/环氧树脂复合材料替换原铝合金材料使整星质量减轻6.55 kg,占结构总质量的32.75％,并满足相应的力学性能,两种结构优化方案均使初样微小卫星结构质量显著降低.用模态分析与静力分析验证了优化后整星满足规定的刚度与强度要求,其优化过程与结果为同类微小卫星结构设计提供了参考.【期刊名称】《上海航天》【年(卷),期】2014(031)006【总页数】6页(P30-35)【关键词】微小卫星;结构设计;结构尺寸优化;结构材料优化【作者】陈靖;张翔;陈卫东【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学高新技术研究院,江苏南京210016;南京航空航天大学高新技术研究院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】V423.40 引言因卫星在发射过程中承受极大的过载，且要求其携带的光学有效载荷有极高的指向精度，质量高效、尺寸稳定的主结构在成功发射卫星的过程中的作用十分重要，故卫星主结构须满足特定的强度和刚度约束条件，结构优化是卫星设计过程中实现这些目标必不可少的步骤［1－2］。

结构优化分为结构尺寸优化和结构材料优化，以往研究常采用结构尺寸优化获得最小重量或最大刚度，文献［3］采用序列二次规划法对卫星肼瓶支架的截面尺寸进行优化设计；文献［4］提出了一种新型的近似模型管理框架，对微小卫星主承力结构各部件尺寸进行多目标优化设计；方宝东等用Nastran软件对卫星的承力筒和太阳电池阵基板进行尺寸优化，实现了卫星结构优化设计的工程化。

除结构尺寸优化外，采用先进复合材料是减轻结构质量、提高尺寸稳定的有效措施，同时还可改善结构相应的力学性能。

卫星通信系统设计及卫星网络性能分析随着社会的不断发展，全球化的趋势不可避免地席卷全球，而卫星通信系统的设计和卫星网络性能分析也变得越来越重要。

卫星通信系统的设计需要考虑多方面因素，从信号传输到网络架构，都需要仔细设计和分析。

而卫星网络性能分析则需要考虑网络的带宽、时延、传输速率等因素，以保证网络的稳定和高效运行。

一、卫星通信系统设计1.1 信号传输在卫星通信系统中，信号传输是关键的一步。

由于在卫星通信中，信号需要从地球上的发射站传输到卫星上，再由卫星将信号传输到另一个发射站或用户终端。

因此，信号的传输速率和传输距离都是需要考虑的因素。

为了提高信号传输速率和传输距离，一些新的技术被引入到卫星通信系统中，如MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）和差分QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying）。

MIMO技术可同时利用多个天线发送和接收信号，有效提高了信号传输速率和抵抗信号干扰的能力。

而差分QPSK技术则可以保证信号传输稳定，避免可能出现的误码率和信号失真问题。

1.2 网络架构在卫星通信系统中，网络架构通常分为星形网络、环形网络和网格网络三种。

星形网络是指所有用户终端都连接到一个中央卫星上。

这种网络架构具有较好的可靠性和故障恢复能力，但同时也面临着数据传输速率有限和建设成本高等问题。

环形网络是指多颗卫星组成一个环型的星座，每个卫星都需要在自己的轨道上移动。

这种网络架构具有高带宽和高速率的特点，并且能够提供全球范围内的可用性。

但同时也面临着成本高和复杂度高等问题。

网格网络是指由地球上多个终端互相连接组成的网络。

这种网络架构丰富多样，可以满足不同的应用要求，并且具有良好的扩展能力。

但同时也面临着卫星的轨道要求高和建设成本高等问题。

1.3 其他问题卫星通信系统的设计还需要考虑其他问题，如发射功率的问题、信道编码的问题、协议分析的问题等。

其中，协议分析是需要重点考虑的因素，因为它影响着整个网络的稳定性和性能。

太阳能卫星的结构设计与分析随着科技的不断发展，太阳能成为了一种新型的清洁能源。

在太阳能利用的各种技术中，太阳能卫星是一种非常有前途的应用方式。

太阳能卫星利用太阳能发电，是一种非常环保、高效、持续的电力源，可以广泛应用于各种领域，如通讯、导航、气象、科学研究等。

本文将探讨太阳能卫星的结构设计与分析。

一、太阳能卫星的结构设计太阳能卫星主要由太阳电池板、电子设备、存储设备、通信设备以及机械结构等部分组成。

其中，太阳电池板是太阳能卫星最为重要的组成部分。

其主要作用是从太阳辐射中吸收能量，将其转换为电能供卫星使用。

太阳电池板的设计需要满足以下要求：1. 高转换效率：太阳电池板的转换效率越高，太阳能利用效率就越高。

因此，在设计太阳电池板时，需要选择高转换效率的太阳电池。

2. 轻量化：卫星的重量越轻，其运行成本就越低。

因此，在设计太阳电池板的结构时，需要尽可能减少其重量。

3. 抗辐射能力：卫星在太空中会受到各种辐射的干扰，因此，太阳电池板需要具有一定的抗辐射能力，以保证其长期稳定运行。

4. 具有可靠性：太阳电池板需要具有较高的可靠性和耐用性，以面对卫星长期的运行环境。

在太阳电池板的设计中，需要注意以下几点：1. 充分利用太阳能：太阳电池板应该在最大限度地利用太阳辐射的情况下，能产生足够的电能以满足卫星的电能需求。

2. 结构应简单：太阳电池板的结构应该尽可能地简单。

不仅能够减小太阳电池板的重量，还能提高太阳电池板的可靠性。

3. 操作方便：为了便于太阳能卫星的维修和替换，太阳电池板的设计应该是易于操作的。

二、太阳能卫星的分析与应用太阳能卫星作为一种新型的清洁能源，其具有以下几点优势：1. 环保：相比于传统的燃油发电机，太阳能卫星没有任何排放，不仅能够减少环境污染，还能对环境造成更少的影响。

2. 高效：太阳能卫星的转换效率远高于传统的能源生产方式，其发电效率可以达到80%以上，同时可以对不同光谱范围的光线进行有效地利用，从而保证了其高效率的发电效果。

新型航天卫星结构设计与可靠性研究近年来，随着科学技术的日新月异，人类对于探索宇宙的渴望也越来越强烈。

航天工程作为现代科学技术中的重要支柱之一，不断地为我们探索宇宙提供了无限可能。

而卫星则是航天工程中不可或缺的一环，可以为我们提供重要的地球观测数据、通讯和导航服务等。

然而，由于卫星在太空工作环境中的极端恶劣条件，其可靠性和使用寿命一直是制约其广泛应用的重要因素。

针对这一问题，越来越多的研究者开始探索新型卫星的结构设计和可靠性研究，以期在未来能够开发更加可靠、实用的卫星产品。

一、新型卫星的结构设计特点首先，新型卫星往往会采用轻质、高强度的材料，例如碳纤维增强复合材料、超轻锆酸盐等。

这种材料既可以保证卫星的强度、刚度和耐腐蚀性能，又可以减轻卫星的重量，使得卫星可以更加节能和灵活地进行机动。

其次，新型卫星的结构设计考虑了更多的智能化元素，例如可调节形态的主反射面、自适应机构等。

这些智能化元素不仅可以使卫星更加适应多样化的工作环境，还可以提高卫星的工作效率和数据采集精度。

另外，新型卫星通常还会采用模块化设计，即将卫星中复杂、独立的功能模块化，便于维护和升级。

这种设计可以提高卫星的可靠性和维修效率，减少运行成本。

二、新型卫星的可靠性研究除了结构设计方面，新型卫星的可靠性研究也是关键的一环。

其主要包括以下几个方面的工作：1. 空间环境下的材料研究。

在太空中，卫星会受到高能宇宙辐射、气体捕获、热变形等因素的影响，使其材料性能产生变化。

因此，研究卫星材料在太空环境下的变化规律和影响因素，对于提高卫星的可靠性至关重要。

2. 可靠性设计和测试。

在卫星设计阶段，应该充分考虑工艺和可靠性要求，尽可能地减小出错的机会。

而在卫星制造后，还需要进行多项可靠性测试和检测，以确保其符合设计标准和使用要求。

3. 可靠性分析和预测。

在卫星运行过程中，需要进行纵向分析和交叉分析，找出卫星可靠性的关键瓶颈，及时发现并排除隐患。

同时，还需要建立可靠性预测模型，预测卫星设备和系统的可靠性水平。

星载机箱结构设计及力学分析高志巧【摘要】In order to enhance the reliability of spaceborneequipment,structural design was made for the spaceborne cabinet basedon the characters of spacecraft products.Adopting splicing enclosure,built-in 9 shielding box,it’s built-in one print.Mechanical analysis of shock response spectrum and random vibration at the design phase were carried out.The results showed that the strength of the equipment was sufficient, without crack and fracture,the structural form was validated reasonableand the structural strength was vali-dated reliable through mechanical experiments.%为提高星载设备可靠性，根据航天产品特点，采用拼接箱体，内装9个屏蔽盒，其上内装1个印制板，对某星载机箱进行结构设计。

对设备进行冲击响应谱和随机振动的力学分析，结果表明箱体强度满足要求，设备未出现裂纹、继裂问题。

力学试验验证了其结构合理，强度可靠。

【期刊名称】《郑州轻工业学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】4页(P63-66)【关键词】星载机箱结构设计;箱体力学强度;冲击响应谱;随机振动【作者】高志巧【作者单位】中国电子科技集团公司第 27 研究所，河南郑州 450047【正文语种】中文【中图分类】TN03随着卫星的应用和发展，对星载设备的可靠性、精确性以及使用寿命的要求越来越高［1］.对星载设备来说，振动常常会导致电子元器件的失效或损坏、电子线路的短路或断路、接插件松动等环境效应.在振动所引起的机械力作用下，当设备的固有频率与振动频率一致时，会引起共振［2］.由于机箱应用环境极为恶劣，在其结构设计上必须采取一系列的加固措施，尽量避免或减小由于高低温、振动冲击、电磁干扰等不利因素对电气性能造成的影响.机箱结构的力学分析对于提高产品的环境适应性起着举足轻重的作用，它不仅有助于在产品研发阶段寻找最优化的解决方案，而且能明显缩短产品研制周期、降低生产成本、确保产品质量，同时可产生显著的经济效益［3］.近年来，星载机箱的结构形式已基本确定.本文拟设计一个结构合理、满足质量、体积尽量小的星载机箱，并进行力学分析，以确保设备的高可靠性.1.1 机箱主结构及结构布局星载机箱的主结构为一拼接的箱体，内装9个屏蔽盒，每个屏蔽盒内装1个印制板，9个屏蔽盒的印制板固定于底部母板的插座上.母板固定于箱体底板上，箱体底板上部设计加强筋，母板与底板之间采用11个M3螺钉连接，以提高母板强度.机箱的一个侧面安装电连接器.该星载机箱的结构外形如图1所示.9个屏蔽盒包括2个电源模块，2个信息处理模块，5个光电接收模块，其内部结构布局如图2所示.质量较大的电源模块、信息处理模块布于箱体两侧.对称分布的结构形式振动时受力均匀，且质量大的模块靠近两侧，这个结构形式可提高箱体的整体结构强度［4］.机箱主结构件材料根据需要选用2A12铝合金.铝合金2A12具有较高的硬度和强度，且密度在金属材料中偏小，可保证结构件不变形，并且质量较轻［5］.1.2 箱体结构设计机箱的箱体采用拼接的方式组成.拼接处由螺钉螺装连接，星载螺钉选用航天局指定厂家生产的钛合金螺钉，并涂胶连接以增强其连接可靠性.机箱箱体的各个零件之间相互咬合:底板和盖板的基板厚度为3 mm，与机箱侧板贴合面内侧均设计有5 mm高的凸台，形成一周;机箱侧板之间，如图2所示，形成咬和结构.这种设计方法既确保箱体足够的强度，又保证机箱各个板块之间的缝隙非直通箱体内部，可滤去大部分波段的电磁波，增强其电磁屏蔽性能.箱体底面平坦，对粗糙度、平面度均有较高的要求，应保证箱体底面与舱内安装面接触良好，这有利于机箱整体散热.箱体底板面积较大，为保证箱体底面平面度和粗糙度，在底板加工时厚度保留正差，进行研磨保证零件平面度、粗糙度，并在箱体完成装备并胶粘固封完成后，对整个箱体的底面进行二次研磨，消除底板与其他侧板连接的螺钉产生的应力对底面平面度的影响.箱体除安装电连接的侧面和安装屏蔽盒导轨的侧面外，另2块侧面为提高其力学强度，设计加强筋，如图1所示.这2个侧面的加强筋保留在箱体外部，既提高力学强度，又增大箱体外部散热面积，且增强设备的美观性.1.3 屏蔽盒结构设计机箱屏蔽盒与箱体的导轨之间的固定方式为楔形锁紧机构.这种锁紧机构固定的方式常用于屏蔽盒或印制板的固定，其优点是可提高所固定件的强度，提高其抗振性能，且固定件拆卸方便.屏蔽盒内装印制板，电源模块和信息处理模块.内印制板尺寸为200 mm×130 mm×2 mm，印制板尺寸较大，只边缘固定时印制板中部振动时位移偏大，存在振动风险，故在屏蔽盒中间增加2个凸台固定印制板中部.屏蔽盒的底部和侧面为同一零件加工形成，非拼接盒体.屏蔽盒盖板与盒体螺装连接.这种结构形式力学性能强，且相对于拼接盒体，侧面与底面之间不存在缝隙，屏蔽盒的电磁屏蔽性能好.屏蔽盒盒体结构如图3所示.为提高印制板刚性，在元器件较少的电源板上安装一块铝板作为冷板，元器件通过导热绝缘垫与冷板接触并穿过印制板，在印制板背部焊接固定元器件管腿.这种形式既增加印制板强度，又有利于印制板上热耗较大的元器件散热.调试完成后，印制板元器件使用硅橡胶进行灌封.1.4 其他设计屏蔽盒通过6个凸耳与卫星安装面固定连接，安装孔径大小为5.5 mm，采用6个M5螺钉连接，凸耳形式如图1机箱机构外形图所示.机箱表面作黑色阳极氧化处理，提高其辐射和热交换率;底面与卫星载荷舱的安装面良好接触，提高导热效率;在机壳侧面开减轻槽，增加其侧面表面积，加强辐射散热［6］.对星载机箱进行力学分析，其力学试验包括模态分析、静力加速度、冲击响应谱、正弦振动、随机振动.模态分析是其他分析的先决条件，且可以通过模态分析确定结构的固有频率和固有振型，在6个安装孔上添加固定约束后，对机箱进行模态分析.其各阶模态见表1.动力分析中，冲击响应谱和随机振动产生的应力较大，其振动风险也较大，故对该星载机箱进行3个轴向的冲击响应谱和随机振动应力分析，其振动条件见表2(其中，每个轴向3次，试验持续时间≤20 ms)和表3(均方根加速度为12.81 Grms，持续时间为2 min).对星载机箱的模型进行简化，导入力学分析软件ANSYS，对6个安装孔添加固定约束，依次在X，Y，Z这3个轴向施加表2中载荷，进行冲击响应谱分析.计算结果见图4—图6.X向冲击作用下最大变形量为1.62 mm，最大应力为54.8 MPa;Y 向冲击作用下最大变形量为 0.67 mm，最大应力为180.1 MPa;Z向冲击作用下最大变形量为0.79 mm，最大应力为40.3 MPa，它们均小于铝合金的许用应力420 MPa，印制板的许用应力340 MPa，满足强度要求.对6个安装孔添加固定约束，依次在X，Y，Z这3个轴向施加表3中载荷，进行随机振动分析，计算结果见图7—图9.X向振动作用下最大变形量为0.67 mm，最大应力为23.5 MPa;Y向振动作用下最大变形量为0.23 mm，最大应力为61.9 MPa;Z向振动作用下最大变形量为 0.37 mm，最大应力为18.7 MPa.它们均小于铝合金的许用应力420 MPa，印制板的许用应力340 MPa，满足强度要求.对星载机箱做力学试验，设计其振动架.机箱通过6个安装孔固定于振动架上，振动架与振动台螺栓连接.振动架为25 mm厚铝板，上下2面加工平整，此种振动架用于正弦振动、随机振动.振动台分为水平振动台和竖直振动台，水平振动台用于X向、Y向振动试验，竖直振动台用于Z向振动试验.静力加速度、冲击响应谱所需振动架分为水平和竖直2种，水平振动架同为25 mm铝板，竖直振动架为常用的倒T型振动架，由铝板焊接成形，机箱悬挂安装.将振动架和设备固定于振动台面上，加载力学试验条件，进行力学试验.目前该星载机箱已通过所有力学试验，未出现裂纹、断裂等问题，设备工作正常，指标测试正常，这验证了其足够的力学可靠性.本文根据航天产品的特殊性，对星载机箱进行了结构设计和力学分析，所作的工作及结论如下:1)对星载机箱的主结构、箱体、屏蔽盒等进行了结构设计，并论述了所采用的结构形式的优点.2)对星载机箱进行了力学分析，分析类型包括冲击响应谱和随机振动各3个轴向方向，分析证明所设计的结构合理，满足强度要求.3)星载设备顺利通过了力学振动试验，验证了结构的可靠性.航天产品的不可维修性和恶劣的环境，对航天产品的可靠性提出了较高的要求.在航天产品的结构设计阶段，需进行全方面的设计研究，且进行力学分析，将力学分析结果与试验结果进行比较，从而为设计优化提供依据，今后要加强这方面的研究.【相关文献】［1］陈烈民.航天器结构与机构［M］.北京:中国科学技术出版社，2008.［2］范文杰.星载电子设备宽频随机振动响应分析［J］.电子机械工程，2010，26(4):5.［3］杨宇军.ANSYS动力学仿真技术在航天计算机机箱结构设计中的应用［J］.电子机械工程，2003，19(5):42.［4］李勇.星载信息处理机的热设计与分析［J］.郑州轻工业学院学报:自然科学版，2007，22(4):75.［5］曾斌.航天电子设备的结构设计［J］.电子机械工程，2008，24(5):5.［6］何菊.某星载电子设备结构设计简述［J］.中国科技信息，2010(5):45.。

多层卫星网络结构设计与分析本文将探讨多层卫星网络结构设计的概念、方法、挑战和未来趋势。

随着空间技术的飞速发展，卫星网络逐渐成为信息传输的重要手段，而多层卫星网络结构是其中的核心部分。

在当今的信息化社会中，卫星网络作为信息传输的重要手段，已经得到了广泛的应用。

尤其在航天、军事等领域，卫星网络的作用更为突出。

然而，随着人们对信息传输需求量的不断增加，传统的卫星网络已经难以满足需求，因此，多层卫星网络结构应运而生。

多层卫星网络结构是指由多个卫星网络节点组成，具有高效信息传输能力的网络结构。

相比传统的卫星网络，它具有更高的信息传输速率、更低的传输延迟和更好的网络鲁棒性。

多层卫星网络结构的设计与实现，既可以满足人们日益增长的信息传输需求，也是未来卫星网络发展的重要方向。

多层卫星网络结构设计需要从多个方面考虑。

要选择合适的卫星网络节点。

节点数量、分布和质量都对网络性能产生重要影响。

同时，要考虑卫星网络的拓扑结构，包括星型结构、网状结构等。

还要考虑卫星网络的路由协议、通信协议和网络安全等问题。

具体设计过程中，需要结合实际情况进行整体优化。

在分析和讨论多层卫星网络结构设计时，我们需要注意以下几点。

多层卫星网络结构具有较高的复杂性和成本，因此在实际应用中需要权衡其性能与成本之间的关系。

多层卫星网络结构的可维护性和可扩展性也是需要考虑的问题。

虽然多层卫星网络结构具有许多优点，但是在某些特殊情况下，如星载设备故障或敌方攻击时，其性能可能会受到影响。

针对以上问题，未来的研究将更加注重优化设计、降低成本和提高网络的容错性能。

多层卫星网络结构作为未来卫星网络的重要发展方向，具有巨大的优势和潜力。

然而，它也面临着许多挑战和技术难题。

为了进一步推动多层卫星网络结构的发展和应用，未来的研究需要以下几个方面：1）优化设计：进一步降低多层卫星网络结构的复杂性和成本，提高其可靠性和稳定性。

2）技术创新：研发更高效、更稳定的通信协议和路由算法，以提升多层卫星网络的信息传输效率。