Proceedings VCM 2012 111 nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid trong

816 Bùi Nam Dương, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tuấn Vinh

VCM2012
Nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid trong
thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite
The Isogrid Structure Study and Application
for Designing the Microsatellite Structure
Bùi Nam Dương, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tuấn Vinh
Trung tâm Vệ tinh Quốc gia
e-Mail:
Tóm tắt
Bài báo này mô tả việc nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid trong việc thiết kế cấu trúc vệ tinh
Microsatellite. Mục đích của việc thiết kế cấu trúc là tạo ra một khối kết cấu chắc chắn, chứa được các tải
trọng, các thiết bị khác nhau và chịu được các tác động từ tên lửa phóng, môi trường vũ trụ. Việc thiết kế cấu
trúc vệ tinh thường sử dụng các công nghệ phổ biến đáng tin cậy hơn là sử dụng các công nghệ hoàn toàn mới.
Với công nghệ phổ biến, cấu trúc Microsatellite được thiết kế có lợi thế về chi phí, kết cấu an toàn, khối lượng
và dễ dàng lắp ráp, tích hợp thử nghiệm. Để đạt được chi phí thấp, dễ dàng lắp ráp, tích hợp, thử nghiệm,
nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, ứng dụng cấu trúc isogrid trong việc thiết kế cấu trúc. Để giảm trọng lượng
và để giữ an toàn cấu trúc, hình dạng cấu trúc được tối ưu hóa. Bài báo cho thấy các kết quả nghiên cứu và ứng
dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite.
Abstract
This paper describes the study and application of isogrid structure for structure design of Microsatellite.
The purpose of structural design is to create a solid structure that enable accommodating various payloads,
withstand the impact from the launch rocket, space environment. The satellite structure design often uses
reliable common technology rather than brand-new technology. With common technology, Microsatellite
structure is designed with advantages of cost, safety structure, weight and easiness of assembly, integration
and test activities. To achieve low-cost, easy assembly, integration, testing, the team studied and applied
isogrid structure for structure design of Microsatellite. To minimize the weight with and to keep the structural
safety, structure shape is optimized. This paper shows the results of study and application of isogrid structure
for structure design of Microsatellite.

Ký hiệu
Ký hi
ệu

Đơn v
ị

Ý ngh
ĩa

Izz, Ixx,
Iyy
Kg.m
2

Mô men quán tính c
ủa
trục x, y, z
Ixy, Iyz,
Izx
Kg.m
2

Mô men quán tính c
ủa
hệ trục vuông góc x, y,
z. Hay còn gọi là tích
quán tính của hệ trục
zx, xy, yz
a’

mm

Kho
ảng cách hai mắt
tam giác theo phương
ngang
H

mm

Kho
ảng cách hai mắt
tam giác theo phương
dọc
,



Ứng suất theo trục x, y

E


Môđun đàn h
ồi Young

H
ệ số Poisson

x
,

y


Bi
ến dạng theo trục x, y


Chữ viết tắt
CG Trọng tâm
MOI Mô men quán tính
POI Tích quán tính

1. Giới thiệu chung
Vệ tinh Microsatellite là loại vệ tinh viễn thám, có
khối lượng nhỏ hơn 50Kg và có kích thước thông
thường là 500x500x500mm. Vệ tinh Microsatellite
có lợi thế về chi phí phát triển, ứng dụng nghiên
cứu và phục vụ đào tạo nguồn nhân lực cho ngành
hàng không vũ trụ. Vệ tinh Microsatellite được rất
nhiều trường, các tổ chức trên thế giới nghiên cứu,
phát triển, ứng dụng. Khối cấu trúc là nơi lắp đặt
các thành phần, thiết bị của vệ tinh, và phải chịu
được các tác động từ tên lửa phóng, môi trường vũ
trụ. Do đó khi thiết kế khối cấu trúc phải đảm bảo

được độ cứng vững, dễ dàng thao tác lắp ghép, gá
đặt các thành phần, thiết bị bên trong, chịu được
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 817
Mã bài: 174
các tác động từ tên lửa phóng, môi trường vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, ứng dụng cấu
trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh
Microsatellite.

H.1 Mô hình vệ tinh Microsatellite

2. Nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid
trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite
2.1 Yêu cầu kĩ thuật khối cấu trúc
Các yêu cầu khối cấu trúc chủ yếu xuất phát từ yêu
cầu của tên lửa phóng và nhiệm vụ của vệ tinh.
Mỗi vệ tinh có nhiệm vụ khác nhau tùy vào mục
đích nghiên cứu, ứng dụng khác nhau. Mỗi tên lửa
phóng cũng có những yêu cầu khác nhau.
Ví dụ: Với tên lửa phóng H-IIA của Nhật, kích
thước và khối lượng vệ tinh phải nhỏ hơn 500mm
x 500mm x 450mm và 50kg tương ứng. Các tần số
dao động tự nhiên của vệ tinh phải lớn hơn 50Hz
theo phương ngang, và 100Hz theo phương dọc để
hạn chế các dao động cộng hưởng từ tên lửa
phóng. Giao diện ghép nối liên kết giữa vệ tinh và
tên lửa phóng: sử dụng giao diện ghép nối LV
PAF-239M, theo yêu cầu của tên lửa phóng H-IIA.
Khối lượng khối cấu trúc phải nhỏ hơn 15kg,
khoảng 30% tổng khối lượng của vệ tinh.

Bảng 1 là một ví dụ mô tả yêu cầu kĩ thuật khối
cấu trúc vệ tinh Microsatellite.
Bảng 1. Yêu cầu kĩ thuật khối cấu trúc vệ tinh
Micro-STAR
Yêu c
ầu

Thông s
ố

Kích
thước
<
500mm(W)x500mm(L)x450mm(
H)
Kh
ối
lượng
< 15kg (
30% t
ổng khối l
ư
ợng v
ệ
tinh)
CG

Phương ngang
(XY)<
±

25mm

Phương dọc (Z) < 250mm tính từ
bề mặt phân tách
MOI

Izz/Ixx, Izz/Iyy > 1.05

POI

Ixy, Iyz, Izx < 10
%
c
ủa

MOI

Đ
ộ cứng

Phương ngang

>50Hz,

Phương dọc >100Hz
Đ
ộ bền

Gi
ới hạn an to

àn

> 0.0


(Tải trọng tĩnh: Phương ngang 5G,
Phương dọc 6G)
Ghép n
ối

PAF
-
239M (
Theo tên l
ửa phóng
H-IIA)
Ngoài ra còn có các yêu cầu khác dành cho khối
cấu trúc: khối cấu trúc phải thuận tiện, dễ dàng
thao tác lắp ghép các thành phần, thiết bị; dễ mang
vác, vận chuyển, dễ gia công chế tạo…
2.2 Cấu trúc isogrid
Cấu trúc isogrid là cấu trúc dạng lưới được tạo bởi
các ô tam giác. Vật liệu để chế tạo các tấm cấu
trúc isogrid thường là nhôm. Để chế tạo tấm
isogrid người ta thường gia công phay tạo ra cấu
trúc các ô tam giác. Các tấm cấu trúc isogrid có
khối lượng nhẹ, độ cứng, bền rất cao và chịu được
các lực tác động bên ngoài. Các tấm cấu trúc
isogrid được ứng dụng để chế tạo thân vỏ tên lửa,
máy bay, vệ tinh,…

Hình 2 mô tả tấm cấu trúc dạng isogrid.

H.2 Mô hình tấm cấu trúc isogrid

H.3 Mô hình cấu trúc isogrid
Với một cấu trúc isogrid có khoảng cách hai mắt
tam giác theo phương ngang, phương dọc là a’ và
h (H.3 Mô hình cấu trúc isogrid), đã được chứng
minh là vật liệu đẳng hướng và tuân theo định luật
Hooke.

Sau khi phân tích các mắt tam giác, người ta
thường thêm một lớp bề dày để làm tăng độ
cứng của khối cấu trúc.


H.4 Mặt cắt ngang cấu trúc isogrid

818 Bùi Nam Dương, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tuấn Vinh

VCM2012
2.3 Ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế
cấu trúc vệ tinh Microsatellite
Giả định ban đầu được nhóm nghiên cứu đặt ra là:
Tên lửa phóng H-IIA, yêu cầu kĩ thuật khối cấu
trúc:
- Khối lượng khối cấu trúc: 15kg
- Giới hạn an toàn độ bền: lớn hơn 0.0
- Tần số dao động tự nhiên: lớn hơn 50Hz
(phương ngang x, y), 100Hz (phương dọc

z)
- CG < 250mm (phương z), 25mm (xy)
- MOI >1.05
- Kích thước < H450mm x W500mm x
D500mm
Việc ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu
trúc vệ tinh Microsatellite phải đạt được các yêu
cầu kĩ thuật như trên.
Lựa chọn vật liệu cấu trúc isogrid: thông thường
thường sử dụng mác nhôm 6061 và 7075. Mác
nhôm 7071 có độ bền, độ cứng cao hơn mác nhôm
6061, nhưng lại có khối lượng nặng hơn so với
mác nhôm 6061. Ở nghiên cứu này nhóm nghiên
cứu lựa chọn mác nhôm 6061 cho việc thiết kế,
phân tích khối cấu trúc vệ tinh sử dụng các tấm
isogrid.
Như đã giới thiệu ở trên vệ tinh Microsatellite bao
gồm sáu mặt: tấm mặt trên, bốn tấm mặt xung
quanh, tấm mặt dưới và tấm liên kết ghép nối
PAF-239M.

H.5 Tấm isogrid
Thông số kĩ thuật tấm isogrid:
- Bề dày tấm isogrid: 10mm
- Khoảng cách các mắt tam giác (a’) : 80mm
- Các tam giác là tam giác đều có chiều dày
thành: 5mm
- Chiều dày lớp bề dày ( ): 1mm
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình trên phần
mềm Solidwork, các kết quả phân tích trên phần

mềm Cosmoswork.

H.6 Mô hình vệ tinh Microsatellite


H.7 Mô hình phần tử hữu hạn

H.8 Dao động theo phương ngang trục x (116Hz)



H.9 Dao động theo phương ngang trục y (119Hz)


Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 819
Mã bài: 174

H.10 Dao động theo phương dọc trục z (219Hz)

H.11 Ứng suất tấm cấu trúc isogrid


Thông số kĩ thuật của vệ tinh sau khi thiết kế:
- Khối lượng khối cấu trúc: 15kg
- Tần số dao động tự nhiên: lớn hơn 50Hz
(phương ngang x, y), 100Hz (phương dọc
z)
- CG: 225mm (phương z), 19mm (xy)
- MOI: 1.1
- Kích thước: H450mm x W500mm x

D500mm
So sánh với các thông số kĩ thuật ban đầu đặt ra thì
các thông số đều đáp ứng.

3. Kết luận
Các tác giả đã trình bày các kết quả nghiên cứu
của việc ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế
cấu trúc vệ tinh Microsatellite ở Việt Nam nói
riêng và thế giới nói chung. Các kết quả đã chứng
minh việc có thể ứng dụng cấu trúc isogrid trong
thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite. Mô hình
này có thể được sử dụng trong việc đào tạo nguồn
nhân lực cho ngành hàng không vũ trụ còn non trẻ
ở nước ta hiện nay.

Tài liệu tham khảo
[1] Isogrid Plate Modelling, Dr. Wiliam Case,
June 1997.
[2] Isogrid Design Handbook - NASA CR-
124075, Rev. A, Feb. 1973.
[3] Delta launch vehicle isogrid structure
NASTRAN analysis, Knighton, D. J, NASA,
Sep 1, 1972
[4] H-IIA-User-Manual-v2c-2001-12, NASDA
[5] Conceptual Phase Structural Design Tool for
Microsatellites, Ryan McLinko, May 19,
2011