航天专场 | CHEOPS号卫星结构设计案例解析

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了CHEOPS号卫星的结构仿真案例，包括卫星在发射和轨道运行期间所承受的工况和应力分析。文章提到，卫星的各个模组需要搭载在一个结构上面，这个结构需要承受静态和动态的工况，其中动态工况包括Sine和Quasi-Static分析。文章还强调了有限元模型检验的重要性，介绍了常见的检验方式，如1g重力、自由模态和热弹性等。最后，文章提到将在直播课上详细介绍航天有限元模型检验方法和经验，以及阿丽亚娜5号火箭工况详解，Optistruct振动工况分析-Sinusoidal Excitation，和卫星天线热分析等内容。

CHEOPS 号卫星，全称是 Characterising Exoplanets Satellite 是欧洲空间局用来来研究太阳系外行星的一个太空望远镜。总重量为 280kg。由西班牙马德里空中客车EADS 分部来进行生产，并由法国阿丽安娜空间公司负责发射的工作。

航天方面的结构计算不同于商业方面的项目。后者计算的工况，结构都大同小异。比如风电行业的叶片结构算来算去无非就是材料的不同，长度大小的不同需要承受不一样的力等等。。。但是航天方面，由于每颗卫星需要执行不同的任务，它所需要的仿真以及工况也千奇百怪。在这里几乎可以见到任何你能想象得到的仿真。

但是有一点是一样的，就是在发射卫星的时候它所需要承受的工况也就是多少个G的重力以及振动对结构所造成的应力。今天主要和大家介绍一下关于CHEOPS 号卫星的结构仿真案例。

如下图所示，一个航天任务的执行首先你得把你的卫星发射到太空去。所以需要一个发射器，也就是我们俗称的火箭。火箭执行的是发射的任务， 卫星成功进入轨道之后也要完成它所需要完成的任务，可以是探测，导航等。这些功能都是由卫星上面不同的模组来完成的，可以是望远镜，天线等不同的元件。

那么这些不同的模组需要搭载在一个结构上面。就好像是一个工具箱，里边有不同的工具，那么这个工具箱就是我们的卫星啦！

那么这个“工具箱”在任务的各个阶段需要承受一定的工况， 结构仿真也主要集中在这一块。

下图展示了一�����卫星��������构所需要考虑到的工况：

这些工况是由发射器，也就是火箭的型号而决定的。通俗来说，火箭越猛，收到的力自然就越大，工况也就不一样。大致上我们可以分为两种工况：静态和动态的工况。这里的动态并不是指瞬态的分析（比如碰撞）而是类似一种“静态”。比如，Sine, 也就是频率响应的分析所做的仿真是从低频到高频去做一个扫描看看结构的共振响应。

Quasi-Static 也就是准静态分析，就是在发射期间在各个方向结构所承受的重力加速度。

碰撞方面，虽然会做一个类似的仿真。但是只能作为参考，最后还是不停得在实验室去做碰撞的实验。

总结来说：结构方面的仿真 主要考虑 Quasi-Static 以及 Sinusoidal

这些工况的数值是由发射器的耦合有限元模型所得出的，由于CHEOPS 的发射器是其他公司负责的，我们拿到手的直接是发射期间的工况数据。

拿CHEOPS 来讲，最大应力以及最关键的工况基本都是由Sinusoidal 所造成的，那么在经过分析之后需要做出一些结构上面的优化。可以是加强材料，结构，增加缓冲单元等等。

由于涉及到保密协议，这里对CHEOPS 模型做了简化，这里我所展示的模型是简化之后的CHEOPS卫星底座部分：

这里插一句，方便大家了解，一个项目在不同的阶段都需要进行仿真的工作。这个案例中是在CDR 会议之前，也就是Critical Design Review 会议之前

在这个会议上需要和各个合作方讨论最终的设计，然后提出和解决技术关键。所以需要确定下来卫星整体结构的强度以及给出每一个链接处（螺丝钉）的安全系数

Hypermesh上具体的操作我会在直播课上和大家来介绍。我会以阿丽安娜5号火箭发射器作为搭载器。所以工况都来自于这颗火箭。这里主要介绍一下整个流程：

首先任何一个模型，我在之前的一些文章里边也讲过，最耗时间的就是前处理方面。其中大家非常容易忽略的就是有限元模型的检验，常见的检验方式有 1g重力，自由模态以及热弹性等等检验我会在直播课为大家手把手演示在Hypermesh上的操作。

检验完成后就需要根据不同的工况进行建模，首先是准静态：

上图表来自阿丽安娜5号工况，可以看到在将卫星送上太空的不同发射阶段整体结构会承受不同的纵向以及横向加速度

Sinusoidal 频率响应工况：

这张图表达了，在不同的频率下面由共振所造成的放大量，这会在7月9日直播公开课进行详细讲解。感兴趣的朋友可以报名，详细介绍见文：

三、CHEOPS号卫星结构设计案例解析

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作者：徐工  仿真秀专栏作者