CN105082556A - 冯卡门外形卫星整流罩及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冯·卡门外形卫星整流罩及其成型方法，所述的冯·卡门外形卫星整流罩包括：复合材料罩体和倒锥段；所述的复合材料罩体为一体成型结构，包括球头、曲线段和筒段，所述的曲线段的剖面为冯·卡门曲线；所述的复合材料罩体和倒锥段由对接桁连接。通过本发明可以提供一种结构简单、质量轻的整流罩。
Description
技术领域
本发明涉及卫星领域，特别涉及一种冯·卡门外形卫星整流罩及其成型方法。
背景技术
运载火箭卫星整流罩的主要功能是，当火箭在大气层中飞行时，给卫星及其有效载荷提供良好的环境，以防止卫星受气动力、气动加热及声振等干扰因素的影响，卫星整流罩是运载火箭的重要组成部分。卫星整流罩一般为半硬壳式铝合金铆接结构或复合材料夹层结构与铝合金蜂窝夹芯结构共用的复合结构，由球头、前锥段、圆筒段、倒锥段和纵向及横向分离机构等组成，采用分段成型的方式制造，加工工艺比较复杂；为了达到需要的刚度和强度，这种结构的整流罩内表面还需要配置Ω框架，在筒段表面需要安装桁条，使得整体结构质量较重。
某新型运载火箭是一种三级小型液体运载火箭，使用液氧煤油发动机，突出的特点是低成本和快速机动发射能力。它对整流罩罩体的结构设计提出了更高的要求，需要提供一种集透波、承载、轻质、热防护及降噪多功能一体化卫星整流罩罩体。目前，在公开的文献和料中，这种要求卫星整流罩罩体的一体化成型方法尚无记载。
发明内容
本发明解决的问题是现有卫星整流罩结构复杂，质量重；为解决所述问题，本发明提供一种冯·卡门外形卫星整流罩及其成型方法。
本发明提供的一种冯·卡门外形卫星整流罩，包括：复合材料罩体和倒锥段；所述的复合材料罩体为一体成型结构，包括球头、曲线段和筒段，所述的曲线段的剖面为冯·卡门曲线；所述的复合材料罩体和倒锥段由对接桁连接。
进一步，所述的复合材料罩体以Nomex纸蜂窝为芯材，以玻璃纤维/环氧树脂为蒙皮。
进一步，所述的倒锥段为铝合金铆接结构。
本发明提供的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，包括：
步骤一、制造模具，所述的模具包括用于复合材料罩体一体化成型的阴模和用于芯材拼接的阳模；
步骤二、在所述阴模上进行外蒙皮整体铺层，并预压；
步骤三、在阳模上成型芯材，预压后与外蒙皮组合、预固化；
步骤四、在芯材表面进行内蒙皮铺层，预压后与芯材及外蒙皮固化，最后修型脱模。
进一步，内蒙皮和外蒙皮的铺层顺序以芯材为对称轴成镜面对称。
进一步，所述外蒙皮的铺层角度以玻璃布经向为0°，铺层顺序依次为45°/0°/-45°/45°/0°/-45°；所述内蒙皮的铺层角度以玻璃布经向为0°，铺层顺序依次为-45°/0°/45°/-45°/0°/-45°。
进一步，成型芯材前，还包括：将Nomex纸蜂窝拼接为与整流罩尺寸匹配的尺寸，拼接采用先胶接再缝合的工艺。
进一步，拼接过渡区域无接缝，接缝距离交接处大于20mm；纵向对接缝错开，错开距离弧长大于700mm；横向对接缝间距大于1000mm；先周向拼接，再纵向拼接；拼接后对拼接缝处蜂窝进行修磨，防止两块芯材间有高度差。
进一步，步骤三中，芯材与外蒙皮的预固化的方法为，在真空环境下，从室温开始，以不大于4℃/min的升温速度加热升温，温度升至110~130℃，保温2-3h。
进一步，步骤四中，固化的方法为，室温下抽真空至-0.085MPa以下，以罐温不大于4℃/min的升温速度加热升温，空气温度升至110±5℃时保持恒定；当模具温度升至80℃~100℃时，加压至0.1MPa±0.02MPa，卸真空，加压至0.2MPa±0.02MPa，然后继续升温至空气温度为185±5℃时保持恒定；最低模具温度升至185±5℃，保温保压180min±10min；固化完成后，带压冷却至模具最高温度60℃以下，卸压出罐。
本发明的优点包括：
本发明的卫星整流罩球头、曲线段和筒段一体化成型，采用全复合材料夹层结构（以Nomex纸蜂窝为芯材，以玻璃/环氧树脂为蒙皮），有效减轻了罩体的质量，实现了全向透波功能，并具有较高的比强度、比刚度和隔热性，还具有一定的降噪功能。
本发明的卫星整流罩采用一体化成型工艺，一次加压固化成型，提高了整流罩的整体性和结构刚度，同时大幅度减少了连接螺钉、铆钉数量，降低了整罩的重量，简化了装配工艺。该整流罩罩体全长5.245m，最大直径2.6m，且曲线段为冯·卡门外形，减小了空气阻力。
综上所述，本发明提供了一种大尺寸冯·卡门外形卫星整流罩一体化成型方法，解决了整流罩透波性能差及结构复杂等问题，制备的整流罩集透波、承载、轻质、热防护及降噪多功能为一体，达到产品设计要求，满足了某新型运载火箭的使用需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的冯·卡门外形卫星整流罩结构示意图；
图2为本发明实施例提供的冯·卡门外形卫星整流罩成型阴模；
图3Nomex纸蜂窝芯材成型工装；
图4蒙皮预浸料铺层角度示意图。
具体实施方式
下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
如图１所示，本发明提供的一种冯·卡门外形卫星整流罩，包括：复合材料罩体和倒锥段０４；所述的复合材料罩体包括球头０１、曲线段０２和筒段０３，所述的曲线段０２的剖面为冯·卡门曲线；所述的复合材料罩体和倒锥段由对接连接。
本实施例中，所述的复合材料罩体为一体成型结构，以Nomex纸蜂窝为芯材，以玻璃纤维/环氧树脂为蒙皮。所述的倒锥段为铝合金铆接结构。所述的复合材料罩体与倒锥段通过对接桁连接。
本发明的实施例所提供的冯·卡门外形卫星整流罩采用复合材料，整体刚度可以满足应用要求，不需要额外添加桁条或框架，所以整体结构简单、质量轻、成型工艺简单；另外曲线段的剖面为冯·卡门曲线，并且整体表面光滑，所以空气阻力小。
本发明提供的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，包括：
步骤一、制造模具，所述的模具包括用于复合材料罩体一体化成型的阴模和用于芯材拼接的阳模；
如图２所示，本实施例中，所述阴模为框架式阴模，主体材料为QT500-7型球墨铸铁，其它辅助零件为Q235优质钢材。通过设计模具型面标准偏差、直度、对接桁区平面度和下端框区平面度可以保证冯·卡门外形成型。
所述阳模周边打孔用于芯材固化定位，以所述阴模为母模翻制；工装（具体指）上根据蜂窝拼接尺寸预留标记，作为后续芯材成型时的基准。
工装材料：蒙皮为SW-280/5258预浸料，内、外蒙皮厚度均为0.60mm；芯材为NH-1-2.75-48芳纶纸蜂窝，厚度5.0mm。
步骤二、在所述阴模上进行外蒙皮整体铺层，并预压；
参见图4，外蒙皮铺层角度以玻璃布经向为0°，铺层顺序为45°/0°/-45°/45°/0°/-45°铺层；外蒙皮预浸料铺贴完成后，封制整体真空袋，升温至110℃，抽真空至0.1MPa保压2h进行预压。预压的温度和时长根据外蒙皮材料作调整，以不损伤外蒙皮为宜。
步骤三、在阳模上成型芯材，预压后与外蒙皮组合、预固化；
如图３所示，为简化芯材与外蒙皮组合工艺，复合材料罩体用的蜂窝芯材采用Nomex纸蜂窝芯材，由小块芯材拼接为整体外形与罩体结构相近的整体芯材。在成型过程中将小块蜂窝拼接为大块。根据拼接工艺试验验证，芯材拼接采用先胶接再缝合的拼接工艺方法；将成型后的芯材和外蒙皮整体铺层组合在一起。
芯材的拼接过渡区域无接缝，接缝距离交接处大于20mm；纵向对接缝错开，错开距离弧长大于700mm；横向对接缝间距大于1000mm；先周向拼接，再纵向拼接；拼接后对拼接缝处蜂窝进行修磨，防止两块芯材间有高度差。
芯材与外蒙皮组合并预压后，进行预固化。预固化工艺如下：封制整体真空袋，室温下抽真空，以不大于4℃/min的升温速度加热升温，温度升至110~130℃左右，保温2-3h；温度以不损伤外蒙皮为宜。
步骤四、在芯材另一个表面进行内蒙皮铺层，预压后与芯材及外蒙皮固化，最后修型脱模。
在本发明的优选实施例中，所述内蒙皮的铺层角度以玻璃布经向为0°，铺层顺序依次为-45°/0°/45°/-45°/0°/-45°；内蒙皮和外蒙皮的铺层顺序以芯材为对称轴成镜面对称，这样的铺层设计可以实现复合材料罩体最佳刚度和强度。
内蒙皮预浸料铺贴完成后，封制整体真空袋，升温至110℃，抽真空至0.1MPa保压2h进行预压。
预压完成后加压固化，固化工艺如下：室温下抽真空至-0.085MPa以下，以罐温不大于4℃/min的升温速度加热升温，空气温度升至110±5℃时保持恒定；当模具温度升至80℃~100℃时，加压至0.1MPa±0.02MPa，卸真空，加压至0.2MPa±0.02MPa，然后继续升温至空气温度为185±5℃时保持恒定；最低模具温度升至185±5℃，保温保压180min±10min；固化完成后，带压冷却至模具最高温度60℃以下，卸压出罐；出罐后，对固化后的复合材料罩体按工艺尺寸进行修型处理，脱模取出整流罩。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种冯·卡门外形卫星整流罩，其特征在于，包括：复合材料罩体和倒锥段；所述的复合材料罩体为一体成型结构，包括球头、曲线段和筒段，所述的曲线段的剖面为冯·卡门曲线；所述的复合材料罩体和倒锥段由对接桁连接。
2.依据权利要求1所述的冯·卡门外形卫星整流罩，其特征在于，所述的复合材料罩体以Nomex纸蜂窝为芯材，以玻璃纤维/环氧树脂为蒙皮。
3.依据权利要求1所述的冯·卡门外形卫星整流罩，其特征在于，所述的倒锥段为铝合金铆接结构。
4.权利要求1至3中任意一项所提供的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，其特征在于，包括：
步骤一、制造模具，所述的模具包括用于复合材料罩体一体化成型的阴模和用于芯材拼接的阳模；
步骤二、在所述阴模上进行外蒙皮整体铺层，并预压；
步骤三、在阳模上成型芯材，预压后与外蒙皮组合、预固化；
步骤四、在芯材表面进行内蒙皮铺层，预压后与芯材及外蒙皮固化，最后修型脱模。
5.依据权利要求4所述的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，其特征在于，内蒙皮和外蒙皮的铺层顺序以芯材为对称轴成镜面对称。
6.依据权利要求5所述的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，其特征在于，所述外蒙皮的铺层角度以玻璃布经向为0°，铺层顺序依次为45°/0°/-45°/45°/0°/-45°；所述内蒙皮的铺层角度以玻璃布经向为0°，铺层顺序依次为-45°/0°/45°/-45°/0°/-45°。
7.依据权利要求4所述的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，其特征在于，成型芯材前，还包括：将Nomex纸蜂窝拼接为与整流罩尺寸匹配的尺寸，拼接采用先胶接再缝合的工艺。
8.依据权利要求７所述的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，其特征在于，拼接过渡区域无接缝，接缝距离交接处大于20mm；纵向对接缝错开，错开距离弧长大于700mm；横向对接缝间距大于1000mm；先周向拼接，再纵向拼接；拼接后对拼接缝处蜂窝进行修磨，防止两块芯材间有高度差。
9.依据权利要求4所述的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，其特征在于，步骤三中，芯材与外蒙皮的预固化的方法为，在真空环境下，从室温开始，以不大于4℃/min的升温速度加热升温，温度升至110~130℃，保温2-3h。
10.依据权利要求4所述的冯·卡门外形卫星整流罩的成型方法，其特征在于，步骤四中，固化的方法为，室温下抽真空至-0.085MPa以下，以罐温不大于4℃/min的升温速度加热升温，空气温度升至110±5℃时保持恒定；当模具温度升至80℃~100℃时，加压至0.1MPa±0.02MPa，卸真空，加压至0.2MPa±0.02MPa，然后继续升温至空气温度为185±5℃时保持恒定；最低模具温度升至185±5℃，保温保压180min±10min；固化完成后，带压冷却至模具最高温度60℃以下，卸压出罐。
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