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        能量可調(diào)式小型化星箭彈簧分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究

        2016-10-21 07:45:46任海遼唐杰宋林郁康士朋李新寬上海宇航系統(tǒng)工程研究所
        國際太空 2016年9期
        關(guān)鍵詞:星箭螺母活塞

        任海遼 唐杰 宋林郁 康士朋 李新寬 (上海宇航系統(tǒng)工程研究所)

        能量可調(diào)式小型化星箭彈簧分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究

        任海遼唐杰宋林郁 康士朋李新寬 (上海宇航系統(tǒng)工程研究所)

        彈簧分離裝置是星箭分離系統(tǒng)的重要組成部分,其性能直接影響星箭分離速度、分離姿態(tài)、分離安全性。針對2015年用長征-6火箭的“一箭二十星”發(fā)射小型化、輕量化和分離姿態(tài)可控的要求,我們提出了一種工作輸出能量可調(diào)式小型化星箭彈簧分離裝置,相比于常規(guī)彈簧分離裝置,其質(zhì)量減輕30%以上,高度降低40%以上,安裝空間節(jié)省50%以上。針對衛(wèi)星質(zhì)心偏移問題,通過調(diào)節(jié)彈簧行程,可有效調(diào)節(jié)衛(wèi)星分離姿態(tài)。

        1 引言

        隨著航天型號產(chǎn)品日益增多,小型化、輕型化的衛(wèi)星平臺是未來發(fā)展的一大趨勢,此類衛(wèi)星多以“一箭多星”形式發(fā)射,尤其是長征-6火箭“一箭二十星”發(fā)射,衛(wèi)星在火箭上的安裝形式多樣,對星箭分離裝置提出更高的要求,尤其對分離裝置質(zhì)量、高度、安裝操作空間以及衛(wèi)星分離姿態(tài)要求更高。

        傳統(tǒng)彈簧分離裝置

        目前星箭分離裝置主要有兩種形式,即彈簧分離裝置和火工分離裝置。火工分離裝置主要應(yīng)用于大、中型衛(wèi)星的分離,彈簧分離裝置具有性能穩(wěn)定、易于地面檢測控制、工作時沖擊小等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于中、小型衛(wèi)星分離。傳統(tǒng)彈簧分離裝置由壓縮彈簧、彈簧殼、活塞、工藝螺桿和蓋組成,安裝在適配器上端腹板上,使活塞在壓縮彈簧的作用下頂在衛(wèi)星底板上。當(dāng)星箭解鎖時,活塞頂桿通過壓縮彈簧貯存的勢能推動衛(wèi)星分離,衛(wèi)星獲得相對的分離速度實現(xiàn)星箭分離。

        傳統(tǒng)的彈簧分離裝置質(zhì)量大、尺寸大,安裝調(diào)試操作空間大,安裝調(diào)試不便,難以滿足小型化、輕量化的應(yīng)用需求。

        衛(wèi)星受自身輕量化限制,需要在較短的時間內(nèi)完成姿態(tài)矯正,“一箭多星”發(fā)射技術(shù)日趨成熟,為了保證多顆衛(wèi)星分離彼此不發(fā)生碰撞,需要嚴格控制衛(wèi)星分離姿態(tài)。傳統(tǒng)的彈簧分離裝置通過控制導(dǎo)向段配合精度、選配彈簧推力等措施控制衛(wèi)星分離姿態(tài)。導(dǎo)向段配合尺寸間隙不宜過小,間隙過小容易出現(xiàn)摩擦力過大影響彈簧效率,甚至出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象,導(dǎo)致星箭分離失敗。彈簧選配需要生產(chǎn)大批量的產(chǎn)品,實測推力值,根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量特性情況開展選配工作,耗費大量人力、物力。甚至出現(xiàn)衛(wèi)星質(zhì)心位置實測結(jié)果偏離過大,彈簧選配無法滿足設(shè)計要求,影響型號研制進度的情況。

        本文提出一種工作行程可調(diào)節(jié)、輕量化、小型化彈簧分離裝置。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        對傳統(tǒng)的彈簧分離裝置高度方向進行分析,發(fā)現(xiàn)彈簧分離裝置導(dǎo)向段-工作行程-負載高度呈串聯(lián)排布。將這幾個尺寸實現(xiàn)并聯(lián)排布將大大降低高度,提出將活塞反裝,做成頂帽結(jié)構(gòu),實現(xiàn)向段-工作行程與負載高度實現(xiàn)并聯(lián)排布。彈簧的導(dǎo)向形式由外導(dǎo)向薄壁圓筒結(jié)構(gòu)更改為內(nèi)導(dǎo)向筒結(jié)構(gòu),導(dǎo)向筒上半部分開導(dǎo)向孔,與活塞拉桿配合作為分離裝置的導(dǎo)向段。

        控制衛(wèi)星姿態(tài)措施主要有控制彈簧推力偏斜量、控制彈簧的釋放能量。彈簧推力偏斜量通過控制導(dǎo)向段配合間隙實現(xiàn),受加材料性能和工工藝水平限制,導(dǎo)向段間隙過小影響整個裝置的性能和功能。影響彈簧釋放能量的因素主要有兩個:彈簧剛度、工作行程,其中彈簧生產(chǎn)制造完成后,彈簧剛度是定值,彈簧行程可調(diào)成為不二之選。

        傳統(tǒng)彈簧尺寸鏈示意圖

        活塞拉桿延伸到導(dǎo)向筒下端挖空段,底端設(shè)計成螺柱安裝自鎖螺母。自鎖螺母上端面和導(dǎo)向筒導(dǎo)向段下端面距離為壓縮彈簧可運動區(qū)間,即為分離裝置的工作行程。自鎖螺母上下均預(yù)留調(diào)節(jié)量,根據(jù)衛(wèi)星的實測質(zhì)量特性可調(diào)節(jié)自鎖螺母的安裝位置,實現(xiàn)彈簧分離裝置工作行程可調(diào)節(jié),使彈簧行程和衛(wèi)星質(zhì)量特性匹配,有效控制衛(wèi)星分離姿態(tài)。在彈簧分離裝置底端配備鎖緊螺母,實現(xiàn)對非工作狀態(tài)彈簧分離裝置的鎖定。綜上所述,可調(diào)試型彈簧分離裝置由彈簧支座、導(dǎo)向筒、活塞、壓縮彈簧、螺母以及收緊螺母組成。

        可調(diào)式彈簧分離裝置

        空間包絡(luò)對比情況

        該設(shè)計過程實現(xiàn)了彈簧分離裝置輕量化、小型化,以某星彈簧分離裝置為例進行對比分析,在彈簧性能參數(shù)完全一致的情況下裝置高度由126mm降低到64mm,安裝操作空間高度由162mm降低到69mm,分別降低了49.2%、57.4%;質(zhì)量由255g降低為156g,降低了38.8%。

        3 工作原理

        可調(diào)式彈簧分離裝置工作原理:壓縮彈簧套在導(dǎo)向筒上,活塞拉桿穿過導(dǎo)向筒中間導(dǎo)向孔,向下壓活塞彈簧被壓縮,儲存能量。衛(wèi)星對接完畢,拆除底端的收緊螺母,活塞在壓縮彈簧的作用下頂在衛(wèi)星底板上,星箭解鎖時,壓縮彈簧通過活塞推動衛(wèi)星分離,彈簧釋放能量,衛(wèi)星獲得相對的分離速度實現(xiàn)星箭分離。

        理論上衛(wèi)星分離姿態(tài)平穩(wěn),各彈簧對衛(wèi)星質(zhì)心合力矩矢量和為零,考慮到彈簧力和衛(wèi)星質(zhì)心存在偏差,無法保證衛(wèi)星上合力矩始終為零。彈簧分離裝置對衛(wèi)星分離姿態(tài)的精確控制以彈簧組對的形式實現(xiàn)。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)心實測結(jié)果,調(diào)節(jié)彈簧行程,選取子星跡向分離模式,在機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(ADAM S)平臺下對分離過程中的運動情況進行仿真,實現(xiàn)對衛(wèi)星姿態(tài)的分析和預(yù)測。

        彈簧分布示意圖

        以某衛(wèi)星為例,采用4套彈簧分離裝置,彈簧行程22mm,均勻分布分布圓直徑為Φ200mm,衛(wèi)星質(zhì)心橫移量(3.1mm,-1.5mm),將1號彈簧行程縮短4mm,將3號彈簧行程縮短2mm,考慮衛(wèi)星質(zhì)心偏差、彈簧行程及推力偏差、彈簧安裝位置偏差等因素。

        分離速度為0.9 6m/s,彈簧作用時間為37~42m s。初始階段,彈簧對衛(wèi)星質(zhì)心的合力矩不為零,推動衛(wèi)星加速旋轉(zhuǎn),當(dāng)1、3號彈簧分離裝置達到最大行程后,2、4號彈簧分離裝置仍繼續(xù)工作,從而導(dǎo)致衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)加速度反向迅速增大,分離角速度快速降低,實現(xiàn)衛(wèi)星的平穩(wěn)分離。以繞Y軸為例,衛(wèi)星分離過程中角速度最大為7.75(°)/s,最終調(diào)整為0.55(°)/s。

        4 試驗情況

        為了驗證分離彈簧分離裝置功能、性能以及結(jié)構(gòu)設(shè)計正確性,進行了地面模擬驗證試驗。試驗包括振動、分離試驗。

        首先在振動臺上進行整個分離裝置的鑒定級振動試驗,振動試驗前手動解鎖彈簧分離裝置,測量分離裝置的工作行程。振動過程中,彈簧分離裝置處于打開狀態(tài),振動試驗完成后,直接進行分離試驗。為降低外界干擾,分離試驗采用一分離體固定,另一分離體自由落體的方式,解鎖后被分離體作自由落體運動。分離過程通過高速攝影測試分離速度和分離姿態(tài),分離試驗過程中架設(shè)4臺高速攝影,拍攝位置正對星的4個象限,2臺高速攝影為一組,通過測量星體的速度差來測試分離體的姿態(tài)。

        振動試驗過程彈簧分離裝置未見異?,F(xiàn)象,分離試驗后測試彈簧裝置工作行程,和試驗前無變化。受火工品分離沖擊的影響,分離時刻衛(wèi)星體存在振動,未能精確測試到衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)曲線。測試到了衛(wèi)星脫離彈簧分離裝置后的分離姿態(tài),去除重力因素,得到分離速度和分離角速度試驗分析結(jié)果和仿真計算數(shù)據(jù)對比情況。試驗結(jié)果和仿真結(jié)果吻合度較好,驗證了彈簧分離裝置設(shè)計的可行性和合理性,其中受設(shè)備測量精度、火工品同步性等因素影響,結(jié)果存在一定偏差。

        分離試驗方案

        分離參數(shù)對比情況

        5 結(jié)束語

        基于“一箭二十星”發(fā)射要求,設(shè)計一種新型的輸出能量可調(diào)式彈簧分離裝置,裝置結(jié)構(gòu)簡單、尺寸更小、質(zhì)量更輕、安裝操作簡便、安裝空間小,可調(diào)節(jié)輸出能量,并成功地進行了地面模擬試驗,驗證了該裝置設(shè)計的合理性和正確性,具有廣泛的通用性,已在清華星、哈工大衛(wèi)星上推廣使用。

        Structure Design and Research of Energy Adjustable Miniature Spring Separation Device for Satellite and Launch-vehicle

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