航天器結構

航天器結構是指一個為航天器本體提供構型，承受和傳遞載荷，並保持一定剛度和尺寸穩定性的部件，是航天器的主體骨架。它既為航天器上其他分系統提供支撐、安裝接口，使航天器各分系統的設備以及電纜、管路、防護材料等附屬物體和器件能夠與結構體本身集成為一個完整的器體，也為運載火箭和地面操作設備等提供各種接口關係和連接形式。在地面操作、運輸、發射、空間運行、返回的全壽命週期的過程中，航天器結構要能承受振動、衝擊、加速度、温度梯度等多方面的載荷。 ^[1] 

航天器結構一般分為衞星結構、空間探測器結構、載人飛船結構和航天飛機結構。早期近地軌道衞星大多為固定式結構。為了增加航天器的功能和擴大航天器的尺寸，現代衞星和空間探測器也採用一些可展開式結構。這種結構在發射時藏在運載火箭的有限容積內，到了空間展開成較大的結構。需要返回地面的航天器，特別是載人飛船，對結構又有新的要求，從而形成與再入防熱、着陸、救生、生命保障等要求相適應的許多特殊結構形式。隨着航天飛機的誕生，又出現了兼有飛機、火箭和航天器特性的新型結構。

衞星結構雖然多種多樣，但從功能上看大都由承力部件、外殼、安裝部件、天線、太陽電池陣結構、防熱結構、分離連接裝置組成。為了達到多用途和提高經濟效益的目的，後又發展出公用艙結構（見航天器設計）。

（1）承力部件　它與運載火箭相連接，承受發射過程中的推力和彎矩。因而需要有很高的強度和剛度。承力部件有以下幾種形式：薄壁圓柱（或截錐）殼、波紋或蜂窩夾層圓柱（或截錐）殼、杆件組成的支架等。承力部件採用鋁合金、鈦合金和碳纖維複合材料等。

（2）外殼　它處於衞星的最外層，形成衞星的外表面，也可兼作承力構件。外殼的形狀多種多樣，如球形、多面柱形、錐形和各種不規則的多面體等。除維持外形外，外殼還應滿足表面積、熱控制、衞星內容積、各種表面開孔、空間輻射防護等要求。外殼的結構形式有：①半硬殼結構：由薄的外蒙皮、桁條、隔框等組裝而成。外蒙皮的常用材料是鋁合金，根據熱控制要求經過必要的表面處理，如拋光、噴漆、鍍金等。桁條和隔框常用鋁合金型材製成，也有用鎂鑄件的。②蜂窩結構和夾層結構：一般由鋁合金製成。現代也採用碳纖維複合材料作為錶板材料。③整體結構：由機械銑切或化學銑切等整體壁板組裝而成，它能減少半硬殼結構所需的鉚接工作量並容易獲得良好的剛度。④柔性張力表面結構：由張緊的柔性薄膜製成。如氣球式衞星的外表面。

（3）安裝部件　結構型式可以是儀器艙、盤式構件或支架。安裝部件的功能是保證儀器設備安裝的各種要求，如安裝精度、密封性、熱控制、防振、防磁等。為了保證足夠高的剛度，可採用蜂窩夾層結構、波紋夾層結構、鑄造或機械銑削的整體壁板和由型材組裝的支架等。儀器安裝面積不足時，可採用多層或多面的安裝部件。

（4）太陽電池陣結構　安裝太陽電池的構件。其結構型式有下列幾種：①體裝結構：在航天器本體表面直接粘貼太陽電池片。這種結構多使用本體的外殼，可以是半硬殼式結構或蜂窩結構、夾層結構，現代已發展為套筒式伸展結構，進入空間軌道後外筒沿導軌伸展，增加太陽電池陣的面積。②可展開式結構：可展開式的太陽電池翼，簡稱太陽翼。這種結構分為剛性摺疊、柔性摺疊和柔性卷式三種。剛性摺疊式結構由剛性板通過鉸鏈連接而成，以鉸鏈彈簧為動力展開成翼狀。剛性板用蜂窩夾層板製成，也有采用剛性邊框和張緊柔性薄膜組合的半剛性板。柔性摺疊式結構由薄膜和折臂式（或望遠鏡鏡筒式）的展開機構組成。薄膜用玻璃纖維布或碳纖維布增強的聚酰亞胺製成，為防止電池相互接觸，在薄膜間插入一層襯墊。柔性卷式結構由薄膜和支桿組成，可用捲筒捲成很小體積，其支桿類似金屬捲尺，靠電機和傳動裝置展開成具有一定剛度的長直杆。

（5）拋物面天線結構　拋物面形狀的天線反射器分為固定式和展開式兩種：①固定式天線：反射器是一個大面積的薄壁構件，有蜂窩夾層、肋骨網式和薄殼三種結構型式，以蜂窩夾層結構用得最多。為了防止熱變形影響天線的電性能，通常用膨脹係數很小的石墨纖維或有機纖維的複合材料來製作反射器。②可展開式天線：有撐傘一樣展開的傘狀天線、類似花朵開放的花瓣天線、魚網式的張力索天線和桁架式天線。它們都由反射面部件、展開反射面的動力部件和支承反射面的部件組成。反射面部件一般由金屬或非金屬網等柔性材料製成。動力部件有彈性元件、可伸縮充氣管或馬達驅動的傳動機構。

（6）分離連接裝置　衞星在發射時必須可靠地連接在運載火箭上；入軌後又必須可靠地與運載火箭分離。為實現這種功能，採用了專用的分離連接裝置。為減少分離時衝擊的影響，衞星與火箭之間多采用包帶夾塊式分離連接裝置，用側向爆炸螺栓解鎖。

空間探測器的型式多樣，具有與衞星相同的部分，如承力部件、天線、太陽電池陣結構等；也有一些特殊型式的結構，如探測臂和着陸裝置。探測臂往往由可以伸展的杆件組成，它的功能是把有特殊要求的探測儀器伸出探測器本體之外，以免受本體磁場或輻射的干擾，這種探測臂有時也用在衞星上。需要在行星或月球表面着陸的空間探測器採用着陸支架、着陸艙等着陸裝置。硬着陸的着陸裝置須有良好的緩衝性能。在行星或月球表面上行走的探測器（如自動月球車）則須有撓性輪之類的撓性結構，以適應凹凸不平的表面。

載人飛船與衞星和空間探測器的結構型式有較大區別。早期發射的飛船大多是截錐加上圓柱段，最外面都有防熱結構。例如“阿波羅”號飛船的結構由救生塔、指揮艙、服務艙、登月艙等幾大部分組成。救生塔是一個桁架式的塔形結構。它的功能是在發射過程出現緊急情況時，使飛船逃離危險區。登月艙是一個極其複雜的特殊結構，供載人登月之用。指揮艙的外形呈圓錐形，是需要返回地面的部分。它的外部由燒蝕材料層和不鏽鋼蜂窩夾層組成防熱外殼。內部是鋁蜂窩夾層結構的密封艙體，用多根鍛鋁縱梁加強。密封艙體為航天員提供可靠的工作環境。服務艙的外殼是一個鋁蜂窩夾層的圓柱殼體。艙內有鋁合金的徑向壁板，用以安裝主發動機、燃料和氧化劑箱等設備。載人飛船和返回式衞星在重返大氣層時會遇到極高的温度，必須採用特殊的防熱結構。

航天飛機一般由軌道器、助推器、外貯箱三部分組成。助推器實際上是兩枚固體火箭。外貯箱與火箭貯箱類似。軌道器是返回部分，它是一個類似於飛機的薄壁結構，但增加了特殊的表面防熱結構。約70%的表面上覆以陶瓷防熱瓦，它與燒蝕防熱結構不同，可以多次重複使用。軌道器分為前機身、中機身、後機身、機翼、尾翼等幾部分。前機身又分為頭錐和乘員艙兩部分。乘員艙是由鋁合金蒙皮和加強桁條焊接而成的密封艙。中機身是一個鋁合金半硬殼結構的大型貨艙，許多部件採用了新型複合材料結構。例如，主框元件採用硼纖維增強鋁合金材料，大型的貨艙艙門採用以碳纖維複合材料為錶板的蜂窩夾層結構。貨艙內有機械操作臂，它由三節杆件組成。 ^[2] 

航天器結構設計是一個複雜、多學科交叉的工程問題，要求對在空間惡劣環境下工作的結構進行熱學、靜力學、動力學、材料性能等分析。為了順利完成任務，航天器應儘可能不受外界干擾而維持正常的工作狀態，但特殊的空間熱輻射環境很可能導致航天器不能正常工作。多數航天器在軌道飛行期間，會週期性進出日照區和陰影區，使其經歷冷熱交變以及衝擊熱載荷作用，特別是當航天器從陰影區進入日照區時，受到的太陽輻射熱流會驟然增加，很容易引起航天器的振動，即熱致振動，而給航天器的姿態響應和數據信號獲取等帶來不穩定因素，甚至導致航天器失效。 ^[3] 

針對大型空間結構，為了預測其在軌道熱交變載荷作用下的動力學行為，主要結論如下：（1）懸臂樑、板結構的熱致振動研究中發現了不穩定的熱顫振現象；（2）衞星主體與太陽能板所組成的剛-柔耦合結構，在日出熱載荷作用下，太陽能板位移的動態響應近似於準靜態響應，而太陽能板的加速度響應出現了熱跳變現象；（3）Ulysses自旋穩定航天器在熱衝擊載荷作用下，出現了振動中的拍現象，即熱拍現象；（4）AstroMesh環狀天線在熱衝擊載荷作用下並沒有出現明顯的振動，結構的熱變形也很小，即結構具有較好的穩定性。 ^[3] 

早期的航天器結構簡單，基本上採用的是金屬殼體薄壁結構。隨着航天器功能需求的不斷增加，材料工藝與設計手段的不斷髮展，航天器結構形式逐步向構型複雜，質量載荷比小，尺寸容積變大，剛度、強度、穩定性更高的方向發展。 ^[1] 

按照結構形狀及傳遞載荷性質分類，我國航天器的結構可以分為中心承力筒及箱板結構、密封殼體結構、杆繫結構（也稱桁架結構）、箱形板式結構和組合式複雜結構。除此之外，根據飛行任務及性質不同，還有空間太陽能發電站大型桁架結構、空間太陽帆充氣結構、航天飛機結構、機械物理性能可變化的智能結構等。 ^[1] 

航天器結構的發展趨勢是複合材料結構將更多地替代金屬結構，公用艙結構將得到更廣泛的應用。隨着大型航天器的發展，網絡式、柔性、空間裝配式等更新型的結構形式正處於研究階段。