ANSYS纳卫星金属选择性激光熔化有限元分析(2)
随着科技的发展，设备大小不断向着微型化的方向发展。微型化的趋势在各个领域都蔓延开来，航天领域也不例外。相比较传统的大型卫星而言，微型卫星在发射成本和研发周期上都体现出诸多优点。此外，微型卫星或许将被运用到商业用途中。1999年加州州立理工大学和斯坦福大学提出了立方体卫星（CubeSat）的概念，质量在1-10kg之间的立方体卫星被称为纳型卫星（naro-satellite）即纳卫星[1]。
如今，火箭的发射使得对太空的现场探测成为了可能。然而对于低空暖层的探测只有相当短的时间（几分钟），并且每年只有几个火箭的发射并且只能提供一些单一的探测点。更高轨道上的地球探测卫星上的强力摇杆探测器可以接受来自不同高度大气的反射信号，尽管这是探测100km以上大气的有利工具，但是这并不适用于气氛稀薄反射信号弱的低空暖层，地面激光雷达和激光摇杆探测也存在这个缺陷[2]。因此，纳卫星在航天领域的应用价值非常高。纳卫星的研发与应用使得低成本、同时多点的太空探测成为一种可能，在远太空的探测中纳卫星也逐渐体现出它们的优势。
据统计，2003年以来，共有130颗立方体卫星发射升空；并且去年一年就有63颗完成布置，接近全部数量的一半。2013年11月由美国航天局NASA推出的称为“萤火虫”（Firefly）的立方体卫星，是第一颗用于研究γ射线反射的卫星。NASA的另一项任务INSPIRE更是计划将两颗立方体卫星对投送到地球轨道之外，该任务最早将在今年年底之前发射。这两颗卫星将被发射到150万公里外，这相当于地球到太阳距离的1%，并从那里绘制太阳射出太阳风的带电粒子[3]。
在未来的探测任务和小型太空载物实验中，纳卫星显然是最好的选择。
1.1.2 纳卫星NJUST-1
QB50计划是欧盟在第七框架计划中提出的，该计划是由比利时的冯卡门研究所牵头，在2012年正式由欧洲委员会和欧盟出资提交方案。计划使用旋风4运载火箭携带50多颗立方体卫星进入探测点。这次计划的一个目的是研究持续和经济地小规模研究太空和行星探测，推动立方体卫星的标准化。另一个目的是在大气的最底层：暖层（80km-483km），开展持续1个月时间多点、现场测量的大气研究。第三个目的是将QB50计划作为一个技术示范平台实例。QB50计划在世界范围内的大学中征集了50多个方案，最终与这些大学签约，由各个承办单位自行搭建各自的纳卫星，并于2015年10月份提交审核。欧盟通过专家评估确定参与该项目的高校名单，其中中国的哈尔滨工业大学、西北工业大学、国防科技大学、南京理工大学、北京航空航天大学、浙江大学、上海科技大学等7所高校入选[4]。南京理工大学申请研制一颗双单元立方体纳卫星NJUST-1，除完成低热层大气在轨探测任务外，还将在轨验证星间组网和通信技术，验证自研的微纳部组件以及卫星总体技术。
纳卫星主要结构件为铝件，形态复杂，由一系列微纳结构件组成，精度要求高、尺寸小且装配空间狭小，往往单件设计制造，采用传统制造方法研制周期长、生产成本高。同时，由于采用传统加工方法进行加工装配时预紧是人为操作，会导致框架结构一定程度上的变形。采用SLM技术成形在弥补和克服传统加工工艺不足的同时为纳卫星结构件的制造提供了新的思路，通过前期分析可以得出SLM在纳卫星上的适用性，为SLM技术在航空航天领域的应用做下铺垫。
1.2 选择性激光熔化技术的发展
选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术作为快速成形（Rapid prototyping，RP）技术中最具前景的技术之一，于1955年由德国Fraunhofer激光研究所提出，该技术采用激光有选择地分层融化固体粉末，并使熔融层固化叠加直接制造高性能复杂零部件，可较方便地控制孔隙率与孔隙形状，成形出具有复杂内部结构的零件。同时，由于经激光辐照粉末急速融化、凝固，形成致密细致的微观结构，其成形件力学性能优于铸件，使得其在复杂难加工件的成形方面显示出突出的优越性，在航空航天、汽车、模具等领域显现了良好的应用前景。并且金属粉末材料的选取范围十分广泛，理论上只要能吸收激光能量熔化的粉末材料都可以作为激光熔化的成形材料。一般来说，采用选择性激光熔化快速成形技术，模具的制造时间和成本均为传统传技术的1/3[5]。在复合材料、梯度材料等其他材料的工件制造上SLM技术也有很大的发展潜力。
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