鐘杰華 趙文利 蔡昱

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2011-5640-0139

摘? 要：未來航天飛行器向著隱身化、多功能化、智能化等方向發(fā)展，對飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提出了輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)功能一體化等需求。點陣結(jié)構(gòu)是先進輕質(zhì)超強韌材料之一，是實現(xiàn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)功能一體化的有效載體。介紹點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)在未來航天飛行器的應(yīng)用前景進行了初步探討，并指出點陣結(jié)構(gòu)在航天飛行器的應(yīng)用方向主要包括點陣夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)、翼舵類點陣結(jié)構(gòu)、飛行器有效載荷支架點陣結(jié)構(gòu)等。

關(guān)鍵詞：點陣結(jié)構(gòu)? 航天飛行器? 結(jié)構(gòu)功能一體化? 應(yīng)用

中圖分類號：TJ450 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0001-05

Application Analysis of Lattice Structure Technology in Spacecraft

ZHONG Jiehua1? ZHAO Wenli2? CAI Yu1

（ 1.China Academy of Launch Vehicle Technology， Beijing， 100076 China; 2.Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing ，100076 China）

Abstract： In the future，the spacecraft vehicle will develop towards stealth，muti-function and intelligence，which puts forward the requirements of light weight and integration of? incorporation of structure and function for the spacecraft structure system. Lattice structure? is one of the advanced lightweight super-strong materials and is an effective carrier to realize the functional integration of lightweight structures.This paper introduces the development and application of lattice structure technology，and probes into the application prospect of lattice structure technology In the future spacecraft vehicle.It is pointed out that the application direction of lattice structure in space vehicle mainly includes lattice sandwich cylindrical shell structure，wing and rudder lattice structure ，payload support lattice structure and so on.

Key Words： Lattice structure; Spacecraft ;Incorporation of structure and function; Application

新概念航天飛行器向著隱身化、多功能化、智能化等方向發(fā)展，對飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提出了輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)功能一體化等需求，包括承載/隱身一體、承載/隔熱一體、承載/隔振一體等多功能集成化設(shè)計需求。三維點陣材料是國際上認為最有前景的新一代先進輕質(zhì)超強韌材料之一，具備承載、隔振、隔熱等多功能，是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化的有效載體。

1? 點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)內(nèi)涵

點陣材料是一種輕量化結(jié)構(gòu)材料的概念，也稱之為“類桁架結(jié)構(gòu)”，由美國普林斯頓大學(xué)的Evans教授、哈佛大學(xué)的 Hutchinson 教授等人在2000年左右共同提出。點陣結(jié)構(gòu)的典型芯體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。與宏觀工程桁架結(jié)構(gòu)相比，點陣結(jié)構(gòu)的尺寸為毫米級或微米級，遠小于工程結(jié)構(gòu)的相應(yīng)尺寸。因此，點陣結(jié)構(gòu)不僅具有結(jié)構(gòu)特征，可以用經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進行分析，也具有材料特征，可以用經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法來分析。

點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部由周期性的點陣桁架組成，并作為多孔材料與結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，也是三維有序多孔結(jié)構(gòu)種類之一，其力學(xué)性能及多功能性可以通過桁架單胞的構(gòu)型選擇和幾何尺寸優(yōu)化實現(xiàn)調(diào)控。點陣結(jié)構(gòu)的等效剛度和強度與材料的等效密度近似成線性關(guān)系，遠高于常見的多孔材料，因此具有非常優(yōu)異的承載能力。同時，點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部周期性連通的空穴可為其多功能開發(fā)提供設(shè)計空間，如熱控、減振吸能、吸波隱身和電磁屏蔽等功能。尤其是復(fù)合點陣夾芯結(jié)構(gòu)，被認為是目前最有前景的輕質(zhì)超強多功能結(jié)構(gòu)材料，越來越受到飛行器設(shè)計單位結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的關(guān)注。

2? 點陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 國外飛行器應(yīng)用進展

新型點陣夾芯結(jié)構(gòu)是目前國際上最有應(yīng)用前景的先進輕質(zhì)超強材料之一，已經(jīng)開始應(yīng)用于飛機和衛(wèi)星等航空航天飛行器結(jié)構(gòu)。美國波音公司和PYRAmatrix公司共同合作，在機身的層芯材料中使用了周期點陣的靜不定桿網(wǎng)架，有效地降低了機身結(jié)構(gòu)的重量。另外，美國/英國已經(jīng)將點陣材料作為大型機翼的主干層芯，利用點陣材料結(jié)構(gòu)的大量孔隙空間來存儲燃料，以節(jié)省空間并降低結(jié)構(gòu)重量。Materialise與Atos的工程部門共同合作，對大量應(yīng)用于衛(wèi)星的鈦合金鑲件進行了改進升級設(shè)計。傳統(tǒng)的鑲件通常采用鋁合金或鈦合金制作，通過機械加工制造，做成內(nèi)部為實體的磚塊形狀，質(zhì)量笨重，成本高。采用結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化和晶格結(jié)構(gòu)優(yōu)化等先進技術(shù)，鑲件內(nèi)部空間采用點陣結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過金屬增材制造，減少構(gòu)件內(nèi)部的材料使用量，將鑲件質(zhì)量從1454g減少到500g，新型鈦金屬鑲件重量僅為原來的1/3。除了減輕重量外，還解決了原設(shè)計中的熱彈性應(yīng)力問題。因為這些鑲件在夾芯板的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的固化過程中已經(jīng)被安裝上去，因此會受到熱彈性應(yīng)力。通過優(yōu)化設(shè)計，則降低了這些應(yīng)力帶來的影響并改善了載荷的分布，從而延長了鑲件的使用壽命，見圖2、圖3、圖4。

2.2 國內(nèi)飛行器應(yīng)用進展

最近幾年，國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)在增材制造點陣材料的制備工藝、點陣結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與試驗、優(yōu)化設(shè)計方法等方面開展了大量的理論研究與實驗研究工作。增材制造點陣材料也被應(yīng)用于航天器有效載荷支架結(jié)構(gòu)等非主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并逐步推廣應(yīng)用在主承力結(jié)構(gòu)上。

2019年8月17日，捷龍一號遙一火箭以“一箭三星”的方式將“千乘一號01星”衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。千乘一號衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)是目前國際首個基于增材制造點陣材料的整星結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星狀態(tài)運行良好，標(biāo)志著用于航天器主承力結(jié)構(gòu)的增材制造三維點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度達到了9級，見圖5。

千乘一號整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行設(shè)計，整星結(jié)構(gòu)通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計及制備周期縮短至1個月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。整星增材制造工作由西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司完成，該衛(wèi)星所有結(jié)構(gòu)由鉑力特四光束增材制造設(shè)備BLT-S600一爐內(nèi)完成打印制造，零件最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內(nèi)部輕量化點陣胞元結(jié)構(gòu)尺度小，整星超過100萬個點陣特征，增材成形難度大，從穩(wěn)定性、精度、周期等指標(biāo)上對打印設(shè)備及工藝能力要求非常高。

北京理工大學(xué)先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院在輕質(zhì)點陣材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備與表征，航天輕質(zhì)點陣復(fù)合材料筒體與翼舵結(jié)構(gòu)等方向開展了較多的研究工作。提出了多級點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計理念及方法，發(fā)明了國內(nèi)外首臺全自動三維編織機，解決了大尺寸異型結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計與制造難題，如圖6為研究院研制的輕質(zhì)點陣復(fù)合材料典型樣件。為滿足重型運載火箭、飛行器對輕質(zhì)大直徑主承力筒體及異型翼舵結(jié)構(gòu)的迫切需求，開展了基于雙蒙皮纏繞成型工藝的大直徑點陣夾層圓柱殼、三維穿插整體成型翼舵結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造研究，如圖7為研究院研制的輕質(zhì)點陣復(fù)合材料筒體和翼舵。

3? 未來航天飛行器應(yīng)用分析

根據(jù)國內(nèi)外飛行器典型應(yīng)用實例，點陣結(jié)構(gòu)在航天飛行器的應(yīng)用方向主要包括點陣夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)、翼舵類點陣結(jié)構(gòu)、飛行器有效載荷支架點陣結(jié)構(gòu)等。其中金屬點陣結(jié)構(gòu)是主要的研究發(fā)展方向。

針對金屬點陣結(jié)構(gòu)：金屬點陣結(jié)構(gòu)是增材制造點陣結(jié)構(gòu)的主要研究方向，以鈦合金、鋁合金和高溫合金為主，在航空領(lǐng)域多用于次承力結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)、格柵類結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)等功能構(gòu)件。點陣結(jié)構(gòu)具有高比強度和比剛度，可用于承載結(jié)構(gòu)的局部剛度增強填充，使構(gòu)件實現(xiàn)輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計方面，由于點陣結(jié)構(gòu)存在大的孔隙率，可將功能布置在空隙中，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載、防熱、隱身、降噪等功能融合。

針對復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)：復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)可以更高效率地替代蜂窩結(jié)構(gòu)的功能。由于點陣結(jié)構(gòu)的面板與點陣芯材結(jié)合為整體，可以起到替代蒙皮的功能，且集結(jié)構(gòu)面板與芯材一體，夾層空間大，點陣結(jié)構(gòu)的比剛度和比強度遠遠高于蜂窩結(jié)構(gòu)。但是，制約復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)大規(guī)模在航空航天飛行器上應(yīng)用的兩個關(guān)鍵因素在于：（1）復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)制備工藝非常復(fù)雜、成本高;（2）復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)面芯之間的粘接強度低。面芯之間的粘接設(shè)計決定了面板能夠傳遞給芯體的最大剪切載荷，這對復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要。如果面芯之間的界面粘接強度由于面芯之間的節(jié)點設(shè)計不當(dāng)或者面芯之間的粘接方式不恰當(dāng)，點陣夾芯結(jié)構(gòu)的破壞就會過早發(fā)生。因此，在應(yīng)用過程中，面芯脫粘是復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)最常見的失效模式。

毫無疑問，點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)具有輕質(zhì)、超強、易于實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)一體化等明顯優(yōu)勢，未來將逐步推廣應(yīng)用于航天飛行器將是必然趨勢。具體的應(yīng)用過程，還需逐步解決以下問題：（1）點陣結(jié)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化技術(shù)：點陣結(jié)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計方面面臨跨尺度、多物理場、優(yōu)化手段可用性等關(guān)鍵問題，首要問題就是要解決構(gòu)型優(yōu)化手段可用性問題;（2）點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、設(shè)計指南及設(shè)計規(guī)范的建立：點陣結(jié)構(gòu)的承載性能有其特殊性，同時，設(shè)計時需兼顧功能結(jié)構(gòu)一體化，因此，從頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法上，需建立相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，用于指導(dǎo)工程應(yīng)用;（3）點陣結(jié)構(gòu)產(chǎn)品快速高精度檢測技術(shù)：點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點眾多，制造過程容易出現(xiàn)缺陷，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，就需形成點陣結(jié)構(gòu)的快速高精度檢測技術(shù);（4）點陣結(jié)構(gòu)產(chǎn)品性能驗證及評價：現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)不能直接用于點陣結(jié)構(gòu)的性能評價，需要根據(jù)多功能點陣結(jié)構(gòu)的特點定制開發(fā)相應(yīng)的試驗設(shè)備及性能評價方法;（5）大尺寸異形曲面點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)：未來航天飛行器有著復(fù)雜的氣動外形，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也面臨大尺寸異形曲面的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造難題，如何在大尺寸異形條件下實現(xiàn)輕質(zhì)高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造，這對于點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)的工程應(yīng)用也將帶來相應(yīng)的挑戰(zhàn)。

4? 結(jié)語

本文重點介紹了點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，指出點陣結(jié)構(gòu)在航天飛行器的應(yīng)用方向主要包括點陣夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)、翼舵類點陣結(jié)構(gòu)、飛行器有效載荷支架點陣結(jié)構(gòu)等。分析了目前點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)在未來航天飛行器應(yīng)用需進一步發(fā)展拓撲優(yōu)化方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、分析與性能驗證方法、大尺寸異形曲面點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造等關(guān)鍵問題?？傊c陣結(jié)構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展將為飛行器性能的提升提供有力的技術(shù)支持，支撐飛行器綜合性能的全面提升，同時，點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)尤其是復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展也需要相關(guān)項目的大力牽引，以獲得突破性的進展。

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