【成功案例】面向增材制造的嫦娥四号中继卫星—斜装动量轮支架优化设计

   背景介绍   

一直以来，人类看到的都是月球的同一面，使我们对月球背面的场景充满了好奇。因此，探测月球“背面”成为航天事业中的一个热点和难点问题。令人欣喜的是，由北京航天东方红卫星有限公司参与研制的中国嫦娥四号中继卫星在今年成功发射，这将有助于人类进一步揭开月球背面的神秘面纱。

本次发射的嫦娥四号中继卫星工作轨道位于深空高轨，且还有两个微小卫星搭载发射，动量轮支架属于该卫星上重量较重的组件之一，为了实现减重，特对斜装动量轮支架展开轻量化设计。

通过应用Altair公司的Altair Inspire对卫星斜装动量轮支架进行优化及改进设计，将设计思路由原来的“先设计产品结构再校核产品性能”转变为“先确定产品性能，再通过拓扑优化手段得出产品最终结构”，为卫星斜装动量轮支架的结构方案选型提供了依据。

    主要看点    

    挑战    

首先，在运载发射能力受限的情况下，嫦娥四号中继卫星的重量指标异常严格，因此亟需开展轻量化产品设计。对重量较重的斜装动量轮支架的优化设计，意味着进一步提升了卫星载荷的可用重量，降低卫星发射的成本。

其次，在嫦娥四号中继卫星上，动量轮是非常重要的姿控执行部件，其安装精度直接影响卫星姿控。作为支撑动量轮的斜装动量轮支架，传统设计制造的方式是由铝合金棒料机械加工而成的整体式薄壁零件，该结构形式的支架减重设计是在侧壁上开形状规则的减重孔及减小壁厚，存在壁厚太薄及减重孔太多时，支架加工过程容易发生变形，最终成形精度难以保证的问题。

如何实现斜装动量轮支架减重的同时，仍满足其机械接口、安装约束、刚度、强度等各项指标，甚至兼顾来自拓扑优化设计结果的工艺性及美观性？这些都是摆在卫星斜装动量轮支架设计工程师们面前的种种挑战。

    解决方案    

运用Altair Inspire进行拓扑优化设计

众所周知，拓扑优化设计的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题，转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题，其目的是寻找承受单载荷或多载荷的物体最佳材料分配方案。市面上也有众多成熟的商业软件可供设计师们选择，Altair Inspire因采用了Altair先进的OptiStruct优化求解器，同时界面友好易用，而备受设计工程师的青睐。本次卫星斜装动量轮支架设计也选择了采用Altair Inspire这一设计工具。

卫星斜装动量轮支架的拓扑优化设计流程

利用Altair Inspire，设计工程师首先对卫星斜装动量轮支架优化前三维模型进行了前处理，此环节主要考虑的要素有：动量轮本体有4个安装螺钉；安装法兰在腰部，背后突出进入支架内部；支架下端通过7个螺钉与卫星连接；姿控要求安装角度为45°。

卫星斜装动量轮支架优化前三维模型

在确认完卫星斜装动量轮支架的机械接口、安装空间、安装要求等要素后，进入了对拓扑优化基础模型的处理环节，这部分需要确认动量轮支架的设计空间、非设计空间、施加载荷及约束。例如设计空间为支架本体，需要预留回转部分开口，以及安装螺钉的操作空间；非设计空间需要考虑为动量轮安装法兰提供安装面及4个螺钉孔。同时，由于支架下端是通过7个螺钉为卫星连接，所以按照固定支架处理。载荷加载在动量轮上，约束为7个螺钉孔，材料是铝。

卫星斜装动量轮支架拓扑优化基础模型

拓扑优化是卫星斜装动量轮支架优化设计流程中的关键环节，主要目的在于确定优化目标，并进行运算。卫星斜装动量轮支架的拓扑优化是一次轻量化的设计，因此选择保证一定刚度下的最小质量模式为优化目标，优化的最小刚度为250HZ，加载载荷为7个连接点的固定支架，在设置完成最小厚度壁厚就可以进行运算分析了。

最后，根据输出优化目标满足设定要求的数据，并调整拓扑材料分布滑块，选择连续实体形式，确定卫星斜装动量轮支架优化设计结果。至此，通过以上步骤，设计工程师们利用Altair Inspire得到了在综合考量重量情况下的卫星斜装动量轮支架的优化传力路径及连接状态。

卫星斜装动量轮支架拓扑优化

卫星斜装动量轮支架拓扑优化输出结果

Altair Inspire自带PolyNURBS功能，增材制造实现更容易

通过拓扑优化设计的零部件，传统的制造工艺往往加工困难甚至无法制造，而增材制造（即3D打印）是一种先进的制造技术，通过采用层层堆积材料的方法来制造零件结构。相对于传统的材料切削去除技术，增材制造能够实现几何高度复杂的结构快速“生长”成型，有相对较少的制造约束。尤其增材制造具有流程短、适合复杂结构等特点，给材料和结构设计者提供了丰富的想象空间，使传统制造技术难于实现的结构变得易于实现，本次卫星斜装动量轮支架优化设计的制造方式就选用了增材制造技术。

但传统的CAD软件在设计与优化产品时，通常是直上直下或是直接用布尔运算进行几何实体操作，或是简单的放样，而当遇到形状过于复杂的零部件时，存在很难将结果直接转为CAD的挑战。Altair Inspire对此有相应的解决办法，采用Parasolid的多边形建模——PolyNURBS，是用多边形建模的方式解决工程问题，可以直接导入到其他的任何相关软件进行制造流程的对接。

在卫星斜装动量轮支架建模中，设计工程师就应用了Altair Inspire中的PolyNURBS模块中的包覆、桥接、分割、布尔运算等功能，对拓扑优化设计结果进行重构。从卫星斜装动量轮支架建模时的力学分析结果可知，基频满足刚度要求；校验材料为AlSi10Mg（3D打印常用）；应力小于屈服强度，裕度大于1，强度设计满足要求。

卫星斜装动量轮支架建模时的力学分析

此外，还对卫星斜装动量轮支架进行了光顺处理，实现了对拓扑优化设计结果工艺性及美观性的兼顾，得到了可以直接3D打印制造的设计模型。最后，卫星斜装动量轮支架选择航天529厂提供的AlSi10Mg铝合金选区激光融化成型工艺（SLM）进行加工，支架减重50%。

卫星斜装动量轮支架3D打印设计模型及打印成品

最终，通过Altair Inspire优化设计的卫星斜装动量轮支架，在加工完成后，安装动量轮后在卫星上安装。同时，按照卫星产品的研制规范，接受了上星验证、力学验证、飞行验证等各项航天级环境试验，并随嫦娥四号中继卫星成功飞行。后续嫦娥四号中继星将通过12次轨道控制飞往地月L2平动点Halo轨道。目前该卫星已经成功入轨，状态良好，开始执行既定任务。

卫星斜装动量轮支架在嫦娥四号中继星上装配示意图

    结论    

回顾卫星斜装动量轮支架的优化设计，可以发现设计工程师们采用了拓扑优化设计与增材制造加工相结合的方式，借助于Altair Inspire，首先设计出支架的合理传力路径，并对拓扑优化设计后的支架进行建模。在得到可以3D打印的设计模型后，采用激光融化成型工艺（SLM）进行加工。