[发明专利]一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器结构和机构，具体为一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法。

背景技术

飞轮是输出角惯量的重要零件，目前卫星动量飞轮均为一体式结构，并采用高强度钢或铝合金等金属材料制造。虽然该结构形式能够满足动量要求，但是轮体的质量偏重，有大量的材料使用在轮毂和轮辐上，这些材料对转动惯量的贡献微小，属于消极质量。由于金属材料本身的结构特点，采用金属块整体加工的一体式飞轮，阻尼性能较差。飞轮在转动过程中一旦发生扰动，便需要花很长的时间才能恢复，对惯性器件的方向控制性能极为不利。有的飞轮为了减少消极质量，减少了轮辐材料的用量，但机构发生振动时，轮辐会将振动传递到轮缘上，并产生显著地放大效应，使得轮缘与外壳发生碰撞，影响卫星姿态控制，甚至导致卫星损坏。

为了应对这些不足，国外有人采用了组合式飞轮结构，即轮毂、轮辐、轮缘采用不同的材料，轮毂和轮辐采用较为轻质高强的金属材料，轮缘使用密度大的金属材料。将这三个部分通过螺钉、铆钉等机械连接形式组合成动量飞轮。这种形式的飞轮在一定程度上利用了材料的特性，降低飞轮整体的重量。

但是，由于飞轮的轮毂、轮辐和轮缘之间采用紧固件进行机械连接，紧固件与飞轮各部件之间的间隙和飞轮整体重量分布的不均匀性对动不平衡量有很大的影响，装配后需要进行大量的调节动平衡的试验，往往调节时间远远大于加工周期，因此大大增加了飞轮研制的周期和成本，很难满足轻量化卫星平台、型谱化的批量使用要求。且紧固件在飞轮加速、减速和振动过程中会有一定程度的松动，这些松动在圆周上形成的细微不对称重量，会对飞轮整体的动平衡性能带来很大的影响。

因此本发明通过使用比高强合金性能更加优异的碳纤维复合材料，采用合理的结构布局，在多向均匀施压的热压装置通过共固化整体成型方式成功制备了一种新型卫星用轻质复合材料动量飞轮。与传统飞轮相比，该飞轮拥有更轻的重量，更高的阻尼性能，更稳定的动平衡性能，较短的制造周期和较低的生产成本。

发明内容

本发明针对上述技术中存在的问题，提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮及其制备方法；所述动量飞轮是一种姿态控制系统的惯性器件，该飞轮具有重量轻，可模块化制造的优点，能够满足各种输出扭矩的要求，在卫星姿态控制中具有广泛的适应性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮，所述飞轮由内至外依次包括轮毂、轮辐和轮缘；所述轮毂与轮辐接合的外围周边开设连接凹槽，中间设有中心孔，凹槽与中心孔之间设有多个安装孔；所述轮辐包括外辐圈、辐条、内辐圈，外辐圈与轮缘接合，内辐圈与轮毂接合，内辐圈开设有连接凸起；所述轮缘内侧面设有环形凸起；轮毂和轮辐通过凹槽与凸起结构以啮合、共固化方式连接；外辐圈通过胶接、紧配与外侧的轮缘连接，轮辐的底部位于轮缘内侧的环形凸起上。

优选地，所述轮毂的材质为铝合金，轮辐的材质为碳纤维复合材料，轮缘的材质为不锈钢。

更优选地，所述轮毂用铝合金材料为高强的7075铝合金；所述轮辐用碳纤维复合材料轮辐材料为碳纤维环氧复合材料，所述轮缘用不锈钢材料为0Cr18Ni9Ti。

优选地，所述凹槽呈梯形；所述凸起呈梯形；梯形的凹槽与梯形的凸起结构契合。

优选地，所述辐条的垂直于径向的截面为矩形。

优选地，所述矩形的宽为10mm～20mm，长为10mm～30mm。

优选地，所述辐条数量为5～10根。

优选地，所述轮毂半径、轮辐半径与飞轮半径之间的比例为4:5:6。

优选地，轮缘内侧设置的环形凸起高度为轮缘厚度的1/2～3/4。

优选地，所述卫星用轻质复合材料动量飞轮可通过更换外侧的金属轮缘，实现动量可调节。

所述卫星用轻质复合材料动量飞轮的动不平衡量不大于1.0g·cm，动量范围为20～1000N·ms，转动惯量的范围为0.03～1Kg·m²；所述卫星用轻质复合材料动量飞轮具有较高的阻尼性能，在随机振动的激励下，轮缘的放大系数不大于5。

第二方面，本发明提供一种卫星用轻质复合材料动量飞轮的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤一、制备碳纤维环氧树脂预浸料，裁剪成轮辐预浸料；

步骤二、将步骤一所得轮辐预浸料铺覆成轮辐的形状，与制备好的铝合金轮毂和轮缘一同放置在多向均压的模具中，通过模具定位系统调整各个部件的位置；