碳纤维将可部署的卫星机制提升到新的高度。

在作为CompositesWorld的数字编辑器工作的第三天,编辑Jeff Sloan向我介绍了美国科罗拉多州Loveland的Ability Composites的Frank Roundy。弗兰克非常友好地让我参观他的设施并分享他对一个对我来说完全陌生的行业的见解。有一次,他递给我一块卷起的材料,看起来有点像卷尺里面 - 或许是灰色的水果卷起。

“它是什么?”我问我手里拿着那个部分。

用于卫星应用的高应变复合材料-复合材料网

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他展开了类似材料的一部分,并告诉我这是一个可部署的卫星热潮。我把这件作品拿了一会儿。“你的意思是我手中的这个东西......会在太空中吗?”我小心翼翼地问道。

弗兰克抬起眉毛看着我,显然被我的兴奋逗乐了。与此同时,杰夫注意到我对该部分感兴趣,并询问我是否有兴趣撰写相关文章。他让我联系了Roccor(美国科罗拉多州朗蒙特)和美国犹他州西约旦的AnalySwift,他们合作设计了我所持有的部分。

转向HSC

Roccor于2011年开始创建可部署机制。从那时起,该公司已成为卫星结构创建方式根本转变的领导者。在过去,可展开的卫星结构主要依靠带有弹簧和闩锁的U形夹销接头进行锁定。这些复杂的设计需要马达来延长它们,这增加了重量。由于需要进行大量测试,它们也很昂贵。其他机制涉及使用由玻璃纤维,凯夫拉尔和其他芳族聚酰胺组成的织物的可充气部署,这些织物存在放气的风险。

为解决这些问题,美国新墨西哥州Kirtland Force Base的空军研究实验室(AFRL)开发了高应变复合材料(HSC),可提高部署系统的质量,复杂性和成本。AFRL与Roccor合作开发太阳能电池阵列开发系统,Roccor使用HSC技术创建更简单,更轻便,因此成本更低的部署系统。

HSC技术是必要的,因为小卫星系统的使用增加,包括通常重量小于220磅/ 100千克的微型卫星天线,以及每U重量不超过3磅/1.33千克的立方体立方体。这些小型卫星填充低地球轨道(LEO)并携带有效载荷,以适应小型封装。一旦进入轨道,他们就会部署天线,太阳能电池阵列,摄像机臂和传感器。简单地说,这些小型卫星没有传统部署技术的空间。这就是HSC的用武之地。根据Roccor的说法,HSC系统的包装系数比传统材料密度高10倍,这使得部署系统的整合能够展开超过49英尺/ 15米的长度。

这些结构通常需要以多种配置操作,具有高精度和稳定性。这些结构的部署机制是Roccor的重点,通常由HSC制造,并采用可展开的滚动组件灵活配置。施加在这种结构上的张力是强大的。

“想象一下飞钓竿,在高应变水平下弯曲,”Roccor工程副总裁Will Francis说道,我告诉他我在参观Ability Composites时看到的卫星热潮。

由于这些结构设计为适合小型封装并通过展开进行部署,因此尺寸精度是满足部署和性能要求的关键。在空间温度极端情况下,必须考虑材料的热膨胀 - LEO的温度范围为全阳光下120°C / 248°F至阴影中-100°C / -148°F。因此,模拟和测试至关重要。

“我们的动臂采用高压釜制造工艺制造,使用碳纤维和玻璃纤维与热固性环氧树脂的薄组合,”Roccor的航空航天工程师Kamron Medina说。根据Medina的说法,碳和玻璃的结合使得难以预测层压板的热膨胀系数(CTE)。

需要准确性

Roccor在其产品开发的早期阶段,需要更准确地预测其产品的热膨胀,以满足高热稳定性要求。该公司转向AnalySwift(西约旦,美国犹他州)寻求解决方案,并在几年前授权该公司的SwiftComp软件进行这些结构的模拟。

Roccor  进行了一项案例研究,比较了热膨胀系数(CTE)预测值与特定层压板的平均测试结果。图1比较了使用经典层压理论和SwiftComp的 CTE预测。该图显示经典预测不仅显着偏离测试结果,而且当实际CTE略微为负时它预测正CTE。该图还显示SwiftComp预测完全在测试平均值的误差范围内。

AnalySwift总裁兼首席执行官艾伦·伍德说:“我们相信SwiftComp提供了一种独特的解决方案,作为通用的多尺度建模代码,使用户能够预测复合材料结构的刚度,强度和热膨胀。”

根据AnalySwift的说法,该软件可以单独用作复合材料虚拟测试的工具,也可以作为一个插件,为复合材料的高保真度建模提供传统的三维有限元分析(FEA)代码。

AnalySwift首席技术官Yu Wenbin Yu说:“SwiftComp是一种多尺度本构建模代码,用于复合材料梁,板/壳或三维结构的统一建模。它可以快速,轻松地计算出宏观结构分析所需的所有有效特性。它还可以预测微观结构中的精确局部应力和应变,以预测强度。“

根据Roccor的说法,SwiftComp提供弹性和热性能的支持,但是大多数代码都停留在层压板上,SwiftComp可以进行缩放,以提供复杂横截面产生的有效梁和板特性。这些功能以及紧密的FEA代码集成使Roccor能够开发计算效率高的工作流程,以解决具有挑战性的工程问题。

另一场太空竞赛
SwiftComp软件在不损失精度的情况下节省的时间是关键,特别是随着Roccor正在开发的高应变复合结构的应用范围不断扩大。更简单,质量更低的卫星系统降低了成本,并开放了希望使用该技术的私人实体,正如SpaceX(霍桑,加利福尼亚,美国)等公司的激进发布计划所证明的那样,该公司在2018年推出了15个,以及Rocket Lab(美国加利福尼亚州亨廷顿海滩,计划于2019年每月发射一次。商业太空竞赛正在进行,并没有显示出放缓的迹象,小型卫星得到了,这在很大程度上要归功于HSC,似乎空间业务增长越大。