GB/T 40538-2021 空间飞行器结构刚度控制要求

　　ICS 49 . 020 CCS V 70

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40538—2021

　　空间飞行器结构刚度控制要求Structuralstiffnesscontrolrequirementsofspacevehicle

　　2021-08-20 发布 2022-03-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40538—202 1

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　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC 425)提出并归口 。

　　本文件起草单位：北京宇航系统工程研究所、北京空间飞行器总体设计部、中国航天标准化研究所。

　　本文件主要起草人：林宏、王国辉、陈益、张新宇、彭慧莲、朱剑涛、周文勇、潘忠文、高峰、梁东平、刘欣、王雪梅、谢萱、胡勇、李青、徐岩。

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　　空间飞行器结构刚度控制要求

　　1 范围

　　本文件规定了空间飞行器结构刚度控制的一般要求、控制流程、控制要求。

　　本文件适用于空间飞行器结构刚度控制。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有修改单)适用于本文件。

　　GB/T 2298 机械振动、冲击与状态监测 词汇

　　3 术语和定义

　　GB/T 2298 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　刚度指标 stiffnessindex

　　描述结构刚度特性的技术指标。

　　注：一般指固有频率、截面刚度、截面柔度等。

　　3.2

　　主结构 primarystructure

　　用于传递和承受主要载荷，决定结构整体模态特征的舱段、框架、杆系等部件。

　　3.3

　　有效载荷组合体 assemblyofpayloads

　　通过串联、并联或串并联组合方式，将多个主结构部件与有效载荷进行连接的集合体。

　　注：一般指飞船的多舱串联组合体、多星适配器与卫星组合体、运载器上面级与卫星组合体等。

　　3.4

　　子结构频率 sub-structurefrequency

　　在固支状态下有效载荷组合体的整体横向、纵向、扭转模态频率。

　　注：一般不包括局部结构的呼吸振型频率。

　　4 一般要求

　　4 . 1 刚度控制要求应贯穿于方案、初样、试样/正样等所有研制阶段，以方案阶段的刚度控制策划为起点，以试样/正样阶段的刚度指标验证为结束。

　　4 . 2 刚度分配控制应覆盖空间飞行器的全部工作剖面，如地面操作段、发射段(太阳能帆板和大型可展开部件为收拢状态)、在轨运行段(大型可展开部件为展开状态)、再入大气层飞行段等。

　　4 . 3 刚度指标应按整器/有效载荷组合体、舱段、组件顺序进行逐级分解，并在所有研制阶段确认各级

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　　技术指标的满足情况。

　　4 . 4 针对不满足刚度指标要求的情况，应分析产生的原因、造成的影响，制定解决措施并通过仿真或试验进行验证。

　　5 控制流程

　　空间飞行器刚度控制的流程应包括：刚度控制策划、刚度指标分配、刚度指标闭环控制、刚度指标验证，并在整个研制过程中统筹推进和逐步迭代。

　　6 控制要求

　　6 . 1 刚度控制策划

　　6 . 1 . 1 空间飞行器应将刚度控制作为结构设计的重要工作内容之一，并制定刚度控制策划。

　　6 . 1 . 2 针对不同工作剖面中的空间飞行器受力特点、姿态稳定设计等要求，设计方与承研承制单位通过协商，识别出必须开展刚度控制的重点产品对象，如在轨运行段可展开的大尺寸太阳能帆板和伞状天线、对刚度较为敏感的有效载荷分离面、受再入环境影响较大的次级结构、搭载运载器飞行段的空间飞行器主结构等。 对不均匀温度分布或温度交变等较为敏感的结构，需提出相应的刚度指标要求。

　　6 . 1 . 3 针对识别出的刚度控制对象，由设计方确定初步的刚度控制要求和设计允许区间。

　　6 . 1 . 4 整器/有效载荷组合体、舱段、组件等承研承制单位针对设计方下发的刚度控制要求开展适应性设计及分析，完成意见反馈和满足情况。

　　6 . 1 . 5 设计方将各方认可、会签完整的刚度控制要求及详细技术指标，分解到承研承制单位的产品设计要求中，再由相应的承研承制单位依次分解到单机或部组件的产品设计要求中。

　　6 . 1 . 6 设计方对整器/有效载荷组合体、舱段、组件等承研承制单位的设计方案进行审查时，对不利于刚度控制的内容应提出修改意见。

　　6 . 1 . 7 针对研制过程中出现的刚度指标不满足情况，需及时记录、沟通，并分析原因和开展影响分析;经多方协商后制定纠正措施，跟踪监督实施结果。

　　6 . 2 刚度指标分配

　　6 . 2 . 1 刚度指标表达方式

　　6 . 2 . 1 . 1 刚度指标一般包括固有频率、截面刚度、截面柔度、使用或设计载荷作用下的位移量、结构动力学放大倍数等指标。

　　6 . 2 . 1 . 2 固有频率指标一般指子结构的横向、扭转、纵向频率，应避开非允许设计区间，且基频不小于某规定值。

　　6.2. 1 .3 截面刚度指标一般包括抗弯刚度 EiIi、抗拉刚度 EiAi 和抗扭刚度 GiJi，应不小于某规定值。截面刚度指标中不包括部段的上下端框刚度贡献。

　　6.2. 1 .4 截面柔度指标一般包括整体抗弯柔度 δα、整体抗拉柔度 δT 和整体抗扭柔度 δθ,应不大于某规定值，见公式(1) ~公式(3)。

　　…………………………( 1 )

　　…………………………( 2 )

　　…………………………( 3 )

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　　式中：

　　δα — 整体抗弯柔度系数，指单位弯矩产生的转角，单位为弧度每牛米[rad/(N · m)] ;

　　δT — 整体抗拉柔度系数，指单位轴力产生的变形，单位为米每牛(m/N) ;

　　δθ — 整体抗扭柔度系数，指单位扭矩产生的扭转角，单位为弧度每牛米[rad/(N · m)] ;

　　li — 第 i个部段的长度，单位为米(m ) ;

　　Ei— 第 i个部段的弹性模量，单位为帕(Pa) ;

　　Ii — 第 i个部段的截面惯性矩，单位为四次方米(m4 ) ;

　　Ai— 第 i个部段的截面积，单位为平方米(m2 ) ;

　　Gi— 第 i个部段的剪切模量，单位为帕(Pa) ;

　　Ji — 第 i个部段的截面极惯性矩，单位为四次方米(m4 ) ;

　　n — 等效串联结构的部段数量。

　　6.2. 1 .5 对于有分离要求的包带结构，应在 6.2.1.4 基础上增加整体抗剪柔度，其单位为米每牛(m/N) ,

　　表征单位剪力产生的变形。 典型包带结构的截面柔度指标见表 1 。

　　表 1 典型包带结构的截面柔度指标

　　6 . 2 . 2 地面吊装、操作、运输过程中的刚度指标要求

　　6 . 2 . 2 . 1 减小吊点附近等局部结构的变形量，不能出现过大可见变形。

　　6 . 2 . 2 . 2 贮箱内应充入不低于一个大气压的氮气、氦气或压缩空气等保护介质，避免贮箱壁面在外部环境或载荷作用下发生局部失稳或不可恢复的塑性变形。

　　6 . 2 . 2 . 3 推进剂地面加注过程中，应考虑温度不均匀分布、温度交变等对贮箱内防晃板结构影响，并提出刚度指标要求。

　　6 . 2 . 3 发射段的刚度指标要求

　　6 . 2 . 3 . 1 发射段典型刚度指标要求见表 2 。

　　6 . 2 . 3 . 2 整器/有效载荷组合体子结构频率应满足运载器提出的基频要求，且整体扭转基频不能低于横向基频。

　　6 . 2 . 3 . 3 整器/有效载荷组合体、模态有效质量较大的大部件频率，应尽量避开响应峰值所在频率，与响应峰值间的频率差一般不小于 4 Hz 与谐振峰半功率带宽两者的较大值。

　　6 . 2 . 3 . 4 由多舱段组成的空间飞行器(如飞船、深空探测器和空间站)，一般应根据运载器提出的基频要求，分别对各舱段提出刚度指标要求。

　　6 . 2 . 3 . 5 由多舱板组成的空间飞行器，舱板各方向基频应避开空间飞行器主要整体频率半功率带宽。

　　对于处于收拢和锁紧状态的大型可展开部件，各组件三个正交方向频率应避开空间飞行器主要整体频率半功率带宽。

　　6.2.3.6 对于有分离要求的连接结构，应对连接面上、下各不小于 50 mm 的区域(点式分离装置上、下各不小于 100 mm 且覆盖卫星接头高度)提出刚度指标要求。预紧力的施加量级应确保在使用载荷作

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　　用下对接面不产生间隙。

　　6 . 2 . 3 . 7 对于已通过地面试验固化技术状态，但难以简单地通过截面刚度指标明确刚度要求的复杂异型连接结构，可通过三维数字化模型或图纸等形式进行明确。

　　6 . 2 . 3 . 8 对于无分离要求的部段间对接结构，提出刚度指标要求。 包括连接件的数量、单个尺寸、间距、预紧力要求等，预紧力的施加量级应确保在使用载荷作用下接口面不产生间隙。

　　6 . 2 . 3 . 9 针对交叉布置的杆系结构，提出刚度指标要求。 可按照杆系的几何分布，将截面刚度等效到相同截面半径的均匀厚度壳体上。

　　6 . 2 . 3 . 10 对于主结构，沿飞行主轴方向的各截面刚度尽量均匀变化，与主轴垂直的法向、侧向或环向刚度应尽量均衡，避免因刚度突变引起较大的线位移、或因附加弯矩引起较大的角位移。

　　表 2 发射段的典型刚度指标要求

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　　6 . 2 . 4 在轨运行段的刚度指标要求

　　6 . 2 . 4 . 1 对太阳能帆板、天线等大型展开部件提出展开状态刚度指标要求。 与空间飞行器本体连接状态下，展开部件一阶频率一般应不小于 0.1 Hz,且应与空间飞行器控制系统频率解耦。

　　6 . 2 . 4 . 2 对于空间站等大型在轨运行空间飞行器，展开部件频率应与空间站本体的柔性频率解耦。

　　6 . 2 . 5 再入、减速、着陆段的刚度指标要求

　　6 . 2 . 5 . 1 考虑到弹伞、开伞、着陆等瞬态激励对再入返回器的次级结构影响较大，应提出次级结构的刚度指标要求，结构频率应避开显著的瞬态外载荷频率。

　　6 . 2 . 5 . 2 与再入返回器组合后，次级结构、大尺寸部件的一阶自由频率一般应为瞬态外激励频率的 2 倍以上。

　　6 . 3 刚度指标闭环控制

　　6 . 3 . 1 设计方在方案研制初期制定刚度控制计划、提出刚度控制要求及指标分解，并落实到整器/有效载荷组合体、舱段、组件设计要求或任务书中。

　　6 . 3 . 2 整器/有效载荷组合体、舱段、组件按设计要求开展结构刚度设计，制定刚度指标验证计划，对指标满足情况进行验证和确认。

　　6 . 3 . 3 设计方按设计要求对各刚度指标满足情况进行检查、汇总，刚度指标满足要求方可通过验收。

　　6 . 4 刚度指标验证

　　6 . 4 . 1 刚度指标的满足情况需通过仿真或试验验证，并据此给出结论，对于刚度指标不满足项 目进行分析和处理。

　　6 . 4 . 2 试验验证项目一般包括静力试验、模态试验、正弦扫描振动试验等。 仿真验证项 目一般包括静力分析、自 由/固支状态模态分析、频响分析、瞬态响应分析等。

　　6 . 4 . 3 形成结构刚度设计及试验验证总结文档，经设计方和承研承制方确认。