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“天宫一号”各部件所用的材料和一些技术资料  

2012-04-28 11:34:10|  分类: 科学研究前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        天宫一号目标飞行器是载人航天器,由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和上海航天技术研究院研制。高10.4米、重8.5吨,分为实验舱和资源舱,舱体的最大直径达3.35米。

天宫一号的电源分系统的所有设备(太阳能电池翼)都在资源舱内,并包括了为飞行器提供能量的燃料。天宫一号的导航与制导系统中6个控制力矩陀螺也在资源舱内。导航与制导系统的用途是在天宫一号与追踪飞行器进行对接之际负责寻找目标,而控制力矩陀螺则会对天宫一号进行精确的姿态控制。

电源 ,太阳能“翅膀”采用新工艺:碳纤维框架加玻璃纤维网格的半刚性结构形式。锗基化合物太阳电池因其高效率、高电压和高特性好等优点,广泛应用于空间卫星。

天宫一号的飞行姿势靠资源舱,它采用了铝锂合金作为原材料,成功为舱段减重10%。资源舱推进分系统先进复合材料承力锥台是天宫一号的重要结构件。天宫一号空间实验室资源舱包括发动机和电源装置等,用于提供轨道与姿态控制、电力能源供应、热控环控,为轨道机动提供动力,为飞行提供能源。但是资源舱推进分系统主承力结构件外形尺寸大,可分配的结构空间和结构重量小,载荷条件苛刻,我国使用碳纤维复合材料承力锥台结构方案,用蜂窝夹层结构与复合材料十字梁组合结构作为主承力结构件,该设计方案优于金属面板方案,解决了推进分系统结构空间小、有效载荷难以布局的难题。在产品设计、研制过程中,科研人员破解了大型复合材料结构的有限元设计方法及其在复杂载荷作用下的承载能力、主承力蜂窝夹层结构的设计计算方法等问题,攻克了产品模具设计技术、十字梁整体成型工艺、主承力高精度要求的蜂窝板成型工艺、大型复杂结构的装配工艺等一系列关键技术,满足了天宫一号承力锥台工艺制造需求。

作为重要承力结构件的相机支架,设计要求五“高”:尺寸精度及形位精度要求高;线膨胀系数要求高;结构弹性模量要求高,变形要微米数量级;产品基频高,达100Hz以上;应用系统空间光学相机结构传动轴的安装支座也是主要由碳纤维复合材料制成,由碳纤维主轴、副轴轴盖、底座以及钛合金轴套等零部件组成。

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小,因此有很高的比强度。

碳纤维是由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。

  实验舱是全密封的环境,对接完成后航天员进舱进行工作、训练,一些必要的生活活动、睡眠等也都在这里进行。内设睡眠区(包括航天员睡眠所用的睡袋)以及使航天员保持骨骼强健的健身区。

   舱体结构密封件,是航天飞船、空间站等舱体结构密封的关键部件,对隔离舱体与外层空间、支撑宇航员安全独立的生存环境具有十分重要的作用。如果把“神舟”飞船比作一只往返于天地之间的运输船,则“天宫一号”就是建在太空的一个“房子”,是未来航天员在太空工作、生活的“太空家园”。相比于以往飞船密封件,“天宫一号”密封件留轨运行时间更长,产品规格更多,安全性、稳定性要求更高。“天宫一号”是未来航天员工作、生活的“太空家园”,必须要保证舱内压力、温度、湿度、气体成分等人体生存条件。“天宫一号”密封件除了要求密封性能安全可靠外,还要求材料安全无毒,能经受住-70到200℃高低温交变、高真空、强紫外辐射、带电粒子辐照和原子氧侵蚀等各种复杂环境的长期考验,不产生降解、老化和龟裂,始终保持“严丝合缝”。

    密封材料:氟油。材料要求能在-70℃至200℃高低温交变、高真空、强紫外辐射等环境下,经受长期考验而性能不变。选好胶材后,还要设计产品模具。和以往飞船不同的是,“天宫一号”密封件形状各异、规格不一,大的直径1米多,小的只有十几毫米,密封件尺寸精度误差不超过0.01毫米,相当于头发丝的1/5,许多形状的密封件在以往飞船中从未涉及。

    实验舱前端装有被动式对接结构,可与追踪飞行器进行对接。天宫一号此行最重要的任务就是空间交会对接,对接任务的完成离不开其姿态控制系统,而姿控系统使用耐辐照石英玻璃作为光学材料,既能滤紫外线,又耐宇宙线辐射、耐近千度的高温,还有很强的抗冲击能力。

高品质铝合金锻件、型材、棒材以及大锻环等,主要用于“天宫一号”工程的结构件、零部件和太阳能板等。
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