吳遠波，陳重華，陳 汀

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

展開鎖定對太陽電池陣驅動機構的沖擊載荷分析與測量

吳遠波，陳重華，陳 汀

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

太陽電池陣在空間會以較大的速度展開到位并鎖定，這會給太陽電池陣的對日定向驅動機構（SADA）帶來一定的沖擊載荷，而僅依靠軟件仿真很難得到準確可靠的沖擊載荷數(shù)據(jù)。文章提出在衛(wèi)星星體與太陽電池陣根部鉸鏈之間串接一個測量工裝，通過測量工裝產(chǎn)生的應變可間接獲得沖擊載荷。該技術措施已在型號研制中得到應用，為驅動機構承載能力的設計分析和考核提供了依據(jù)。

太陽電池陣；對日定向驅動機構；沖擊載荷；應變測量

0 引言

為滿足衛(wèi)星大功率的需求，必須有大面積的太陽電池陣供電［1］。由于受到衛(wèi)星與運載火箭整流罩之間包絡空間的限制，衛(wèi)星發(fā)射前太陽電池陣須呈收攏狀態(tài)，待整流罩拋射或星箭分離后，再展開到所需的位置。為了滿足太陽電池陣展開要求，其展開驅動力/力矩必須大于阻力/阻力矩［2］；因此，在空間真空和微重力環(huán)境下，太陽電池陣會以較大的速度展開，且展開到位后瞬間完成鎖定，這會給對日定向驅動機構（SADA）帶來一定的沖擊載荷。

SADA屬于單點失效件，始終處于旋轉運動狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，則會導致任務失敗。相關資料表明，國內外多顆衛(wèi)星在軌運行過程中因 SADA出現(xiàn)了卡死或短路故障而直接影響了整星的正常工作。因此，在 SADA地面研制過程中必須對其承受沖擊載荷的能力進行分析和試驗考核。為了獲得太陽電池陣展開鎖定對 SADA的沖擊載荷，本文提出通過應變測量間接獲取沖擊載荷的方案。

1 仿真分析

1.1基板和連接架的柔性模擬

基板和連接架展開鎖定時滿足的動力學方程為

式中：M為質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；u為位移矩陣；F為力矢量。

取其固定界面的正則振動模態(tài)和相對于界面坐標的約束模態(tài)構成Craig-Bampton模態(tài)，即：

式中：Φ為模態(tài)矩陣；I為單位矩陣；q為模態(tài)位移。

對Craig-Bampton模態(tài)進行正交化處理，得到正交化的模態(tài)矩陣Φ*為

使用Nastran軟件工具計算基板和連接架正交化的Craig-Bampton模態(tài)，并導入ADAMS中，作為基板和連接架的柔性模型。

第三，農村經(jīng)濟產(chǎn)權制度的完善使農村的經(jīng)濟得到快速發(fā)展。在這一改革當中，最為核心的內容就是確保農村經(jīng)濟產(chǎn)權交易平臺的構建與完善，確保農村經(jīng)濟產(chǎn)權能夠實現(xiàn)投資、交易以及增值，實現(xiàn)整個農村集體經(jīng)濟的保持與增長。

1.2鉸鏈的模擬

將所有展開驅動彈簧簡化為線性彈簧［3］，并考慮鉸鏈轉動過程中的摩擦阻力矩和板間電纜的阻力矩。其中摩擦阻力矩假設為常值，在確定展開驅動力矩大小時考慮該值；板間電纜的阻力矩假設為線性變化，展開狀態(tài)為0，收攏狀態(tài)最大，可在驅動彈簧的剛度設計中考慮該阻力矩。

1.3聯(lián)動裝置中繩索柔性的模擬

為考慮聯(lián)動裝置中繩索柔性的影響，將聯(lián)動裝置的作用簡化為相應的力矩。設繩索的預緊力為P，相連的兩個繩輪a、b的半徑為ra和rb，單側聯(lián)動繩索的柔度系數(shù)為f，則繩索作用在兩個輪上的扭矩分別為：

其中：ΔP=（θbrb-θara）/f ，θa為繩輪a的展開轉動角度，θb為繩輪b的展開轉動角度。

1.4分析結果

基于上述模型，使用ADAMS軟件對太陽電池陣展開和鎖定過程進行數(shù)值仿真，其結果見表 1。太陽電池陣坐標定義參見圖1。

表1　根部鉸鏈鎖定對驅動機構的沖擊力矩Table 1 Shock torque on SADA due to root hinge locking

圖1　太陽電池陣坐標定義Fig. 1 Coordinate definition of the solar array

2 測量方案

根據(jù)仿真分析的結果來看，SADA承受的沖擊載荷主要為展開方向產(chǎn)生的彎矩，即繞x軸的最大沖擊載荷值遠大于其他兩個方向。為了簡化試驗方案，可忽略其他兩個方向的載荷影響，主要測量繞x軸的沖擊載荷。

在模擬墻與太陽電池陣根部鉸鏈之間串接一個測量工裝，并在測量工裝上粘貼16個單向應變測點（應變測點的分布如圖2所示）。測量工裝主要由安裝法蘭和4根矩形測量桿（a， b， c， d）組成，在 4根測量桿上距離太陽電池陣對接面的 L1、L2處，各布置一組8個應變測點，總共16個測點。兩組測點相對于測量桿截面的位置完全相同，各應變測點均用于測量各測量桿軸線方向的應變。

圖2　測量工裝應變測點布局Fig. 2 Arrangement of strain measurement points

根據(jù)測量工裝的受力特性，每根桿截面上的應力可以等效為軸向力 fy、剪切力qz、彎矩Mx，其表達式見式（6）和式（7）。

其中：?ε為2點與1點之差、4點與3點之差、6點與5點之差、8點與7點應變之差的一半。

在L1截面處，根據(jù)y向力平衡和彎矩平衡，

可得到：

同樣在 L2截面處，也可以列出兩個方程。將式（6）、（7）分別代入式（8）、（9）中，可以得到軸向力Fy；將截面L1和L2處的彎矩平衡方程聯(lián)立，可以解出彎矩Mx。

3 太陽電池陣沖擊試驗

太陽電池陣展開沖擊試驗時，通過懸掛式展開試驗裝置與支架車、模擬墻配合，模擬太陽電池陣在軌失重（近似零重力）狀態(tài)，見圖3。在測量工裝上粘貼應變測點的實物照片見圖4。

圖3　太陽電池陣展開鎖定沖擊試驗示意Fig. 3 Schematic diagram of solar arrays’ deploying/locking impact testing

開時間比真空中要長，地面展開試驗所獲得的力學參數(shù)會小于實際真空中的展開情況［4］，所以太陽電池陣展開鎖定沖擊試驗分2種工況進行：首先進行常溫常壓下的展開試驗；接著調整鉸鏈展開盤簧力矩，使太陽電池陣地面展開時間盡量接近在真空中的展開時間（分析值）。每種工況展開試驗分別進行4次。

圖4　測量工裝上粘貼應變片F(xiàn)ig. 4 Photo of strain measurement points on testing device

某型號太陽電池陣展開鎖定沖擊試驗的彎矩數(shù)據(jù)分析匯總見表2，從試驗數(shù)據(jù)分析可以得出如下結論：1）太陽電池陣展開鎖定對SADA的沖擊彎矩與展開時間成反比，兩者之積大約為 2100～2200N·m·s；2）太陽電池陣在軌展開時間若按8.5s計算，則沖擊彎矩約為 247～259N·m，比預分析結果（218N·m）至少大13%。

表2　太陽電池陣閉鎖沖擊試驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental results of shock load

4 結束語

本文通過對 SADA在太陽電池陣展開鎖定過程中承受的沖擊載荷仿真分析與試驗測量，得出了太陽電池陣展開鎖定沖擊彎矩與展開時間成反比的結論。根據(jù)太陽電池陣地面展開時間，可以較準確地預測太陽電池陣在軌展開鎖定沖擊載荷，為驅動機構地面試驗考核提供依據(jù)，目前已經(jīng)在部分型號上得到了應用和推廣。

由于太陽電池陣的材料及各構件連接關系復雜，尤其鉸鏈的非線性特性［5-6］，以及展開過程涉及剛柔耦合等［7-8］，使得試驗結果與仿真結果存在一定差異，有必要進一步開展仿真與試驗的研究。

（References）

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（編輯：肖福根）

Analysis and measurement of shock load on SADA due to solar array deployment locking

WU Yuanbo， CHEN Chonghua， CHEN Ting
（Shanghai Institute of Satellite Engineering， Shanghai 201109， China）

The solar array has to be locked in a specified position after deployment. The locking process produces a large shock on the SADA of the satellite. Accurate related results are difficult to be obtained from the commercial software simulations. This paper proposes a measurement method by connecting a measuring tool between the satellite body and the root hinge of the solar array. The strain data can be measured from the tool and the shock load can be calculated indirectly. The method is validated in the satellite development.

solar array； SADA； shock load； strain measurement

V41

A

1673-1379（2016）04-0378-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.007

2016-03-22；

2016-07-11

吳遠波（1978—），男，碩士學位，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星總體、結構機構設計與分析。E-mail:yuanbowu509@sina.com。