张拉式可展太空舱段骨架结构设计与分析
发布时间：2021-01-08 06:56
随着人类对外太空的不断探索,对地球以外的星球的探测任务的逐步深入,很多航天学者提出了建立地球以外的月球、火星等载人探测基地的设想。相比于现有的载人舱段结构形式,张拉式舱段结构具有质量轻、可展开、可扩展和材料利用率高的特点。本文对张拉式舱段结构的构型、力学性能和参数优化等问题进行了设计和分析,并结合原理样机的研制进行了理论验证。本文借助折纸艺术的灵感提出了双螺旋平面拓扑结构,建立结构的节点矩阵、构件矩阵和构件连接矩阵。添加相应的边界条件,得到了圆柱结构和中空环形结构,改变节点位置坐标,获得不同截面的结构,丰富了构型种类。在此基础上,提出了三种折展方式,并分析了其优劣。其次,针对张拉整体结构非线性大变形以及结构本身的受力特点,推导了符合其结构特性的切线刚度矩阵。提出了一种微小外载荷叠加的方法进行静力学分析,并利用三杆基本单元从理论计算和软件分析进行了相互验证。在此基础上,利用ANSYS对双螺旋张拉整体结构进行静力学分析,得到了结构在压缩、弯曲和弯扭复合载荷下节点位移的变化趋势。再次,为了获得最优结构,采用遗传算法对结构进行了多目标优化。先是基于屈服和屈曲的约束条件进行了最小设计并用基本参数...
【文章来源】： 耿金嵩 哈尔滨工程大学
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
综合式载人月球基地方案
哈尔滨工程大学硕士学位论文2图1.1综合式载人月球基地方案如图1.2所示，为NASA开发的月球行走机器人，行走系统和舱段结构一体，多足机器人上方为一个六棱柱舱段，宇航员在其中操纵机器人在月面上行走。图1.2（a）展示了舱段内部的布局细节和几何形状，舱段内部布置甲板，居住舱上方布置阁楼作为舱内人员的休息区，环境控制系统和热控制系统布置在甲板下方与舱内相关系统利用管道连接以便调节舱内生存环境[4,5]。（a）NASAHabots月球舱段效果图（b）NASAHabots月球舱段内部细节图1.2NASAHabots月球舱段1.2.2充气式载人太空舱段方案2016年4月，美国太空探索技术公司（SpaceX）将一套由“毕格罗航天公司”（BigelowAerospace）研制的充气型太空居住舱（BEAM）送入太空，如图1.3所示，与国际空间站完成连接之后便将自动充气膨胀并形成可供宇航员居住的空间。经过充气，BEAM太空舱的内部空间可以扩大到压缩状态下的4.5倍。展开后其最大长度可达4m，最大直径达到3.23m，体积从收拢状态的3.6m3扩展至16m3，质量达到1.4吨。BEAM太空舱的外壁采用的是多层柔性材料，包括缓冲层、金属网和特殊纤维材质层等，保证柔性材质的舱体完全可以抵御太空垃圾和宇宙碎片的撞击。此外，BEAM舱内相比传统太空舱更加安静，宇航员不会有在现在国际空间站内噪音的困扰[6-9]。
第1章绪论3图1.3毕格罗公司研制的充气式舱段如图1.4所示，为美国航空航天局的JSC（JohnsonSpaceCenter）中心提出的TransHab充气式太空居住舱概念，完全膨胀后直径为4.3m，高7m，体积约为339.8m3，内部分为4层供储藏、实验、日常起居所用。中心刚性芯轴为可伸缩结构，舱壁充气完全展开后，可伸缩芯轴到位锁定，对整个舱段结构起支撑作用。充气外壳由内衬、气囊、约束层、碎片保护系统和热控制原子氧保护层5部分组成，总共超过20层，总厚度40.6cm。最大可承受5670kg的重量，舱内免受极端高温或极端低温的侵袭[10-14]。（a）TransHab内部结构（b）TransHab蒙皮结构图1.4TransHab充气式太空居住舱及其外壁结构1.2.3机械式载人太空舱段方案如图1.5所示，为美国独立研究人员RaulPolit-Casillas提出的混合式月球载人舱段概念，机械式桁架展开构建宇航员活动空间，充气结构将活动空间封闭，充气结构外壁覆着月壤层抵御辐射和冲击。在收拢状态下，舱段结构为一个直径4.57m，高15m的尖头圆柱，和着陆器一起由ArianeV火箭运载。
本文编号：2964143
【文章来源】： 耿金嵩 哈尔滨工程大学
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
综合式载人月球基地方案
哈尔滨工程大学硕士学位论文2图1.1综合式载人月球基地方案如图1.2所示，为NASA开发的月球行走机器人，行走系统和舱段结构一体，多足机器人上方为一个六棱柱舱段，宇航员在其中操纵机器人在月面上行走。图1.2（a）展示了舱段内部的布局细节和几何形状，舱段内部布置甲板，居住舱上方布置阁楼作为舱内人员的休息区，环境控制系统和热控制系统布置在甲板下方与舱内相关系统利用管道连接以便调节舱内生存环境[4,5]。（a）NASAHabots月球舱段效果图（b）NASAHabots月球舱段内部细节图1.2NASAHabots月球舱段1.2.2充气式载人太空舱段方案2016年4月，美国太空探索技术公司（SpaceX）将一套由“毕格罗航天公司”（BigelowAerospace）研制的充气型太空居住舱（BEAM）送入太空，如图1.3所示，与国际空间站完成连接之后便将自动充气膨胀并形成可供宇航员居住的空间。经过充气，BEAM太空舱的内部空间可以扩大到压缩状态下的4.5倍。展开后其最大长度可达4m，最大直径达到3.23m，体积从收拢状态的3.6m3扩展至16m3，质量达到1.4吨。BEAM太空舱的外壁采用的是多层柔性材料，包括缓冲层、金属网和特殊纤维材质层等，保证柔性材质的舱体完全可以抵御太空垃圾和宇宙碎片的撞击。此外，BEAM舱内相比传统太空舱更加安静，宇航员不会有在现在国际空间站内噪音的困扰[6-9]。
第1章绪论3图1.3毕格罗公司研制的充气式舱段如图1.4所示，为美国航空航天局的JSC（JohnsonSpaceCenter）中心提出的TransHab充气式太空居住舱概念，完全膨胀后直径为4.3m，高7m，体积约为339.8m3，内部分为4层供储藏、实验、日常起居所用。中心刚性芯轴为可伸缩结构，舱壁充气完全展开后，可伸缩芯轴到位锁定，对整个舱段结构起支撑作用。充气外壳由内衬、气囊、约束层、碎片保护系统和热控制原子氧保护层5部分组成，总共超过20层，总厚度40.6cm。最大可承受5670kg的重量，舱内免受极端高温或极端低温的侵袭[10-14]。（a）TransHab内部结构（b）TransHab蒙皮结构图1.4TransHab充气式太空居住舱及其外壁结构1.2.3机械式载人太空舱段方案如图1.5所示，为美国独立研究人员RaulPolit-Casillas提出的混合式月球载人舱段概念，机械式桁架展开构建宇航员活动空间，充气结构将活动空间封闭，充气结构外壁覆着月壤层抵御辐射和冲击。在收拢状态下，舱段结构为一个直径4.57m，高15m的尖头圆柱，和着陆器一起由ArianeV火箭运载。
本文编号：2964143
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