基于3D打印的微小卫星推进剂系统优化设计

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1、设计·工艺航天制造技术基于3D打印的微小卫星推进剂系统优化设计111122陈欣孙兆伟叶东吴凡董鹏侯谊飞（1.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001；2.首都航天机械公司，北京100076）摘要：针对微小卫星轻量化设计的需求与3D打印技术相结合，对某微小卫星推进剂系统进行了结构优化。通过3D打印技术实现了结构优化后的钛合金小型贮箱的快速研制，大大缩短了方案验证试验周期，对其它航天飞行器结构优化方案的快速研制验证具有良好的示范作用。关键词：结构优化设计；3D打印；推进系统；轻质化设计OptimizationDesignofMicro

2、SatellitePropellantSystemBasedon3DPrinting111122ChenXinSunZhaoweiYeDongWuFanDongPengHouYifei(1.SchoolofAstronautics,HarbinInstituteofTechnology,Beijing100191;2.CapitalAerospaceMachineryCompany,Beijing100076)Abstract：Theconfigurationofsometypeofmicrosatellitepropellants

3、ystemhasbeenoptimized,basedonthecombinationoflightweightdesignrequirementsand3Dprinttechnologyinthispaper.Itcanberealizedtoachieverapidmanufacturingofoptimizedtitaniumalloysmalltankwith3Dprinttechnology,whichgreatlyshortensthedevelopmentperiod.Itshowsthegreatapplicatio

4、ndemonstrationofrapidmanufacturingontheotheraerospacevehiclestructureoptimizationschemes.Keywords：structuraloptimizeddesign；3Dprinting；propulsionsystem；lightweightdesign1引言推进器的组成方式，液体推进剂从贮箱被挤出，进入气容并进行液−气转换，气体进入4个推力室以一定速随着空间技术的迅速发展，对微小卫星的需求越度喷出，形成反作用推力作用于卫星。为了满足在有来越大。由于

5、微小卫星具有体积小、标准化和模块化限空间内的减重需求，在保证系统足够安全系数的情程度高、研发周期短以及发射成本低的特点，使得微况下，推进系统贮箱采用钛合金材料，对某型号微小小卫星成为政府机构及高校开展前沿技术创新的重要卫星冷气推进剂系统的主要零部件进行了以轻量化为领域，发展速度持续增长。2015年6月，美国北方天目标的结构优化设计。空研究所（NSR）咨询公司发布其第二版《微纳卫星3D打印技术是最近几年迅速发展的先进制造技市场报告》，预测未来10年内全球发射100kg以下的术，其主要特点是适合难加工材料复杂结构的快速研[1]微纳卫星将

6、会超过2500颗。制，同时还可以实现结构功能一体化。3D打印技术能实现轻量化对提高小卫星的有效载荷，拓展实用够实现在一台设备上完成零件90%以上的加工过程，功能意义重大。在大多数微小卫星中，推进系统占卫通过对零部件结构进行及时修改优化从而实现对零部[2]星总质量的30%以上，因此实现推进剂系统的轻量化件结构优化的快速响应。3D打印技术对切削性能差具有举足轻重的作用。的难加工金属材料（如钛合金、高温合金）有很好的某型号微小卫星的冷气推进系统采用贮箱−气容−适用性，尤其对复杂结构零件的成形制造更具优越性。合作项目：中俄联合研究生自主研发

7、阿斯图纳卫星项目。作者简介：陈欣（1993），硕士，航空宇航科学与技术专业；研究方向：卫星推进系统方案设计、功能结构设计与优化。收稿日期：2017-08-0925设计·工艺2017年8月第4期零件结构越复杂，3D打印技术的优势越明显。因此，液体燃料（本型号卫星使用氟利昂）作为推进剂，对3D打印技术在国内外航天领域空间飞行器姿轨控发应的贮箱压力远远低于以高压氮气为推进剂的推进剂动机的应用越来越多。系统。因此其外部构型可与小型航天器的设计相适应。根据微小卫星在满足强度足够的基础上实现轻量贮箱的大小则可根据任务要求调整。因此本型号卫星化的

8、需求，结合3D打印技术的特点，本文对卫星的冷选择棱形贮箱。为了使贮箱在满足强度要求的情况下气推进剂系统中TC4钛合金小贮箱进行了结构优化，尽量达到轻量化目的，对贮箱的壁厚进行优选，并对并采用激光选区熔化制造技术实现了优化后结构的快壳体