胡亞航 程 澤 王國(guó)星 臧梓軼 段 萍 王 帥

復(fù)雜展開(kāi)路徑太陽(yáng)翼地面零重力試驗(yàn)技術(shù)的研究

胡亞航 程 澤 王國(guó)星 臧梓軼 段 萍 王 帥

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190）

太陽(yáng)翼裝配、試驗(yàn)需在零重力環(huán)境下進(jìn)行。某遙感衛(wèi)星太陽(yáng)翼展開(kāi)過(guò)程太陽(yáng)板質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡近似大半圓弧線，屬于復(fù)雜的展開(kāi)路徑，其重力卸載難度較大。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套氣浮式零重力補(bǔ)償設(shè)備，采用一套分跨式氣浮裝置和氣浮平臺(tái)解決了復(fù)雜展開(kāi)路徑太陽(yáng)翼零重力卸載的難題，分跨式的設(shè)計(jì)也解決了太陽(yáng)翼收攏后氣浮裝置干涉的問(wèn)題；設(shè)計(jì)了一套可上下調(diào)節(jié)，鎖緊氣管的氣管固定裝置解決了展開(kāi)試驗(yàn)時(shí)氣管與太陽(yáng)翼聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤掛的問(wèn)題。結(jié)果表明采用此種裝配手段，可有效地開(kāi)展此種復(fù)雜展開(kāi)路徑太陽(yáng)翼在地面的裝配、展開(kāi)試驗(yàn)、基頻測(cè)試工作，保證了太陽(yáng)翼的裝配技術(shù)指標(biāo)。

復(fù)雜展開(kāi)路徑太陽(yáng)翼；零重力；氣浮展開(kāi)；分跨式氣浮裝置；氣管固定裝置

1 引言

太陽(yáng)翼作為衛(wèi)星的一次能源部分，是衛(wèi)星系統(tǒng)的重要部件，其零件制造質(zhì)量及裝配質(zhì)量直接關(guān)系衛(wèi)星的可靠性、壽命和功能，甚至關(guān)系到衛(wèi)星在軌運(yùn)行的成敗。太陽(yáng)翼裝配是整個(gè)太陽(yáng)翼研制任務(wù)的重要階段，太陽(yáng)翼裝配主要針對(duì)太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的裝調(diào)工作，裝調(diào)工作須在零重力展開(kāi)設(shè)備上進(jìn)行，涉及了工藝裝備的裝調(diào)、展開(kāi)機(jī)構(gòu)的裝配、翼面調(diào)整、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝、太陽(yáng)翼地面展開(kāi)試驗(yàn)等環(huán)節(jié),其中太陽(yáng)翼地面展開(kāi)試驗(yàn)是對(duì)太陽(yáng)翼裝配質(zhì)量驗(yàn)證性試驗(yàn)[1]。

太陽(yáng)翼在太空中處于零重力環(huán)境，在地面部裝、試驗(yàn)時(shí)，需要補(bǔ)償重力。常見(jiàn)的零重力補(bǔ)償方法主要是力平衡法，如吊掛式、氣球式和氣浮式。吊掛式展開(kāi)適合運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單、一次展開(kāi)的太陽(yáng)翼，主要優(yōu)點(diǎn)是占用空間相對(duì)較小，操作簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是適用能力差，零重力抵消裝置調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)節(jié)多；氣球式展開(kāi)適用于展開(kāi)速度慢，運(yùn)動(dòng)軌跡較短，卸載重力不大的太陽(yáng)翼，優(yōu)點(diǎn)是使用方便，缺點(diǎn)是氣球穩(wěn)定性較差[2]；氣浮式展開(kāi)原理是將由氣源產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)配氣箱調(diào)壓后通過(guò)空壓軟管輸送給氣足，經(jīng)氣足的節(jié)流孔噴出，高速排出的氣體在進(jìn)入大氣時(shí)產(chǎn)生壓差，壓差在氣足底面與氣浮平臺(tái)平間形成氣膜。因?yàn)闅鈮鹤饔茫瑢⑻?yáng)翼懸浮在氣浮平臺(tái)上，抵消掉重力對(duì)自身及載荷的作用。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：生成的氣壓穩(wěn)定，能適應(yīng)載荷的大范圍變化，適合展開(kāi)軌跡復(fù)雜的太陽(yáng)翼[3]。

2 某遙感衛(wèi)星太陽(yáng)翼及其展開(kāi)過(guò)程

某遙感衛(wèi)星太陽(yáng)翼單翼包括機(jī)械部分和電池電路部分，其中機(jī)械部分由連接板、基板、鉸鏈機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓緊釋放機(jī)構(gòu)組成。發(fā)射階段，太陽(yáng)翼收攏壓緊在衛(wèi)星的+、-側(cè)壁。當(dāng)入軌后根據(jù)程控指令，太陽(yáng)翼壓緊桿依次解鎖，從衛(wèi)星的+、-方向展開(kāi)至+、-方向，轉(zhuǎn)動(dòng)完成太陽(yáng)翼展開(kāi)過(guò)程。

由于該結(jié)構(gòu)太陽(yáng)翼展開(kāi)過(guò)程為二維平面運(yùn)動(dòng)，橫向掃過(guò)的面積較大，太陽(yáng)板質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡近似大半圓弧線。太陽(yáng)翼的展開(kāi)過(guò)程見(jiàn)圖1，第一步，所有的壓緊釋放機(jī)構(gòu)點(diǎn)火工作，太陽(yáng)翼釋放，4塊太陽(yáng)板在根部鉸鏈的作用下展開(kāi)，直至根部鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此過(guò)程中四塊太陽(yáng)板在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下保持收攏狀態(tài)，作為一個(gè)整體轉(zhuǎn)動(dòng)90°；第二步，根部鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí)，四塊板在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下同步展開(kāi)，到位后鎖定。

圖1 太陽(yáng)翼展開(kāi)過(guò)程示意圖

由于該太陽(yáng)翼特殊的展開(kāi)軌跡，氣球式、吊掛式零重力展開(kāi)裝置不適用該太陽(yáng)翼。而氣浮式展開(kāi)適用于展開(kāi)軌跡復(fù)雜、展開(kāi)機(jī)構(gòu)橫向運(yùn)動(dòng)范圍大的情況，適用于該型太陽(yáng)翼的地面裝配以及地面展開(kāi)試驗(yàn)[4，5]。

3 零重力補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

圖2 太陽(yáng)翼與氣浮裝置示意圖

本方案設(shè)計(jì)的氣浮系統(tǒng)由氣浮平臺(tái)、氣浮裝置、配氣臺(tái)及氣管固定裝置等組成。如圖2所示，太陽(yáng)翼由氣浮裝置支撐在氣浮臺(tái)上。其中，外板安裝氣浮裝置兩個(gè)，中板、內(nèi)板和連接板各安裝一個(gè)氣浮裝置。

3.2 氣浮平臺(tái)設(shè)計(jì)

氣浮平臺(tái)由4塊拼接而成，其中一塊平臺(tái)與另外3塊錯(cuò)位擺放，為支架車(chē)和模擬墻提供操作空間，氣浮平臺(tái)布局如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)翼氣浮平臺(tái)

氣浮平臺(tái)為鑄鐵平臺(tái)表面粘貼薄花崗巖石板（厚度10～20mm）；平臺(tái)工作面需無(wú)嚴(yán)重影響外觀和使用性能的裂紋、劃痕、碰傷、材質(zhì)疏松等缺陷；每塊平臺(tái)有6個(gè)支撐點(diǎn)，其中至少有3個(gè)主支撐點(diǎn)；平臺(tái)安裝后，工作面距地面高度(1000±5)mm，鑄鐵平臺(tái)下表面距離地面空間距離(650±10)mm；平臺(tái)支撐支架需具有微調(diào)機(jī)構(gòu)，能夠調(diào)節(jié)平臺(tái)水平度并具有鎖緊功能，通過(guò)調(diào)節(jié)保證該平臺(tái)與其它平臺(tái)連接一起后的平面度要求。平臺(tái)在車(chē)間長(zhǎng)時(shí)間停放后，可以通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，修正平臺(tái)變形，保證整個(gè)平臺(tái)氣浮要求的平面度；根據(jù)氣浮平臺(tái)的使用要求，產(chǎn)品表面應(yīng)無(wú)影響氣足移動(dòng)的缺陷。負(fù)載50kg的氣足可以在平臺(tái)上順暢移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)無(wú)停頓。

3.3 氣浮裝置設(shè)計(jì)

圖4 氣浮裝置主要組成部分

氣浮裝置包括氣足及與太陽(yáng)翼的連接工裝，主要用于在氣浮平臺(tái)上支撐太陽(yáng)翼，在太陽(yáng)翼展開(kāi)過(guò)程中氣足懸浮于氣浮平臺(tái)上，模擬太陽(yáng)翼的零重力狀態(tài)。氣浮裝置主要由氣足、氣足轉(zhuǎn)接件、基板轉(zhuǎn)接件、彈簧、連桿、滑桿、軸承及軸承壓蓋等部分組成，如圖4所示。

氣浮裝置通過(guò)彈簧進(jìn)行柔性支撐，并通過(guò)滑桿與直線軸承的配合實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，這樣可以使氣足的支撐力不因氣浮臺(tái)面的凹凸不平而產(chǎn)生較大變化。設(shè)置導(dǎo)向連桿組件，保證氣浮裝置在太陽(yáng)翼展開(kāi)過(guò)程中始終保持兩氣足組件為左右開(kāi)立狀態(tài)。氣浮裝置在基板上的安裝位置應(yīng)左右可調(diào)，調(diào)整量為(-10～10)mm。彈簧使用前標(biāo)定試驗(yàn)，測(cè)得實(shí)際的彈簧常數(shù)。

氣足組件由螺桿和足墊組成，如圖5所示。氣足成對(duì)使用，共用同一充氣管路充氣，即采用三通給兩個(gè)氣足供氣。氣足與工裝之間用粗牙螺紋連接,螺桿的螺紋長(zhǎng)度≥40mm，螺桿與足墊之間以球鉸連接，氣足材料質(zhì)輕、耐磨、耐蝕、防銹。

圖5 氣足組件示意圖

由于太陽(yáng)翼氣浮裝置中，主承力零件主要是氣足轉(zhuǎn)接件和基板轉(zhuǎn)接件，故將分別靜力學(xué)分析兩個(gè)零件。

a. 氣足轉(zhuǎn)接件。設(shè)置氣足轉(zhuǎn)接件上與氣足的安裝孔為固定點(diǎn)，額定載荷（30kg）的重量加載在氣足轉(zhuǎn)接件頂部彈簧接觸端面處，考慮重力的影響。圖6為氣足轉(zhuǎn)接件的有限元分析結(jié)果，圖中可以看出，整個(gè)氣足轉(zhuǎn)接件最大應(yīng)力為31.6MPa，發(fā)生在與氣足連接處，豎直方向最大變形量為0.002mm；發(fā)生在與氣足連接塊附近，水平方向最大變形量為0.022mm。

b. 基板轉(zhuǎn)接件。將基板轉(zhuǎn)接件上與彈簧接觸面設(shè)置為固定點(diǎn)，將額定載荷（30kg）的重量均布加載在與基板安裝面上，同時(shí)考慮重力的影響。圖7為基板轉(zhuǎn)接件的有限元分析結(jié)果，圖中可以看出，整個(gè)基板轉(zhuǎn)接件最大應(yīng)力為22.6MPa，發(fā)生在開(kāi)口最低部，最大變形量為0.1mm，發(fā)生在與基板安裝面最外端處。

圖7 基板轉(zhuǎn)接件結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)有限元分析結(jié)果顯示，氣浮裝置的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求，安全系數(shù)在3以上。

3.4 配氣臺(tái)設(shè)計(jì)

配氣臺(tái)由箱體、氣壓表、氣源組件以及相應(yīng)的內(nèi)部通氣管路組成。

氣源組件的功能是將廠房提供的原始?xì)庠崔D(zhuǎn)換成可以提供給太陽(yáng)翼使用的氣源。氣源組件由過(guò)濾器、截止閥、調(diào)壓閥及其相關(guān)氣路元件所組成，氣源組件氣路示意圖如圖8所示[6，7]。

圖8 氣源組件示意圖

氣源組件中各部分功能：過(guò)濾器——過(guò)濾廠房氣源中的雜質(zhì)，保護(hù)調(diào)壓閥和氣足，避免氣足受到損傷；截止閥——用于控制氣足的通氣狀態(tài)；調(diào)壓閥——將廠房氣源的高壓氣體壓到氣足需要的低壓氣體；快速接頭——用于氣源側(cè)氣路和氣足側(cè)氣路快速連接，并且密封可靠，避免氣源泄露；氣源組件的原始?xì)庠摧斎雺毫?.7～1MPa，供給氣足輸出壓力0.3～0.7MPa。

氣源處理主要由配氣臺(tái)內(nèi)部的三級(jí)過(guò)濾裝置完成，對(duì)氣源輸入的氣體進(jìn)行濾水、油和雜質(zhì)，過(guò)濾器濾芯過(guò)濾微粒最小尺寸為5μm。氣源氣體經(jīng)過(guò)濾后，通過(guò)調(diào)壓閥降壓處理，分多路供給氣足。

配氣臺(tái)使用前需要接通氣源和氣足。與氣源的接口為標(biāo)準(zhǔn)10mm快速插頭，從氣源引出直徑為10mm的標(biāo)準(zhǔn)氣管直接插入即可。打開(kāi)氣源接口上方的開(kāi)關(guān)，壓力表就會(huì)顯示氣源的供氣壓力。

在配氣臺(tái)的多路輸出接口對(duì)應(yīng)氣足的供氣管路，接口也采用標(biāo)準(zhǔn)10mm快速插頭，在氣源開(kāi)關(guān)打開(kāi)的情況下如果打開(kāi)輸出開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的管路即可供氣，同時(shí)氣壓表會(huì)顯示氣足的供氣壓力。

3.5 氣管固定裝置設(shè)計(jì)

充氣管路的合理化布局是影響氣浮裝置使用、降低管路附加阻力的關(guān)鍵因素，布局方式如圖9所示。

圖9 氣管走線示意圖

沿基板下沿布置管路。所有的主管路均沿基板下沿布置，配氣臺(tái)設(shè)置在支架車(chē)附近，除由配氣臺(tái)到太陽(yáng)翼的管路外，其它管路不需要操作人員抬起隨動(dòng)，減少了操作人員的對(duì)太陽(yáng)翼的影響。

氣浮固定裝置一端安裝在板間鉸鏈上，一端安裝吊環(huán)螺母，所有氣足充氣軟管和三通均通過(guò)扎帶綁扎在氣浮裝置的支架上，之后穿過(guò)氣浮固定裝置下端的吊環(huán)螺母孔，直至連接至配氣柜。氣浮固定裝置具備上下調(diào)節(jié)功能，防止收攏時(shí)氣浮固定裝置互相干涉；下端的吊環(huán)螺母攻有螺紋孔，用于固定、解鎖氣管，保證氣管在展開(kāi)時(shí)不會(huì)發(fā)生攢動(dòng)，最大程度減小折彎氣管帶來(lái)的阻力距。太陽(yáng)翼收攏后檢查相臨的氣浮裝置和管路干涉勾掛，保證氣足的充氣軟管和三通不會(huì)與氣浮臺(tái)面接觸，從而避免氣足的充氣軟管與氣浮臺(tái)面卡滯。

4 應(yīng)用效果驗(yàn)證

4.1 地面展開(kāi)試驗(yàn)

太陽(yáng)翼部裝完成后將所有板間鉸鏈解鎖，使鉸鏈鎖定鉤從鎖定位置脫開(kāi)，之后解鎖根部鉸鏈，多人配合將連接板、內(nèi)板、中板、外板全部合攏在模擬墻上，完全收攏時(shí)目測(cè)連接板和太陽(yáng)板上的壓緊襯套的位置對(duì)齊，之后確認(rèn)氣浮裝置狀態(tài)正常（通氣、有無(wú)干涉、氣路等）。手松開(kāi)太陽(yáng)翼的同時(shí)記錄太陽(yáng)翼展開(kāi)時(shí)間，進(jìn)行太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)。太陽(yáng)翼在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)下平穩(wěn)展開(kāi)，并在展開(kāi)終了位置可靠鎖定。太陽(yáng)翼展開(kāi)時(shí)間43s，符合地面展開(kāi)時(shí)間的設(shè)計(jì)要求值；太陽(yáng)翼CCL性能、鉸鏈性能、微動(dòng)開(kāi)關(guān)性能均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2 地面展開(kāi)試驗(yàn)基頻測(cè)試

圖10 太陽(yáng)翼基頻測(cè)試示意圖

裝配完成后在氣浮平臺(tái)上測(cè)試太陽(yáng)翼展開(kāi)狀態(tài)下基頻。測(cè)試時(shí)，太陽(yáng)翼處于展開(kāi)、鎖定狀態(tài)，根鉸固定在模擬墻上，太陽(yáng)板、連接板通過(guò)氣浮裝置支撐在氣浮臺(tái)上，如圖10所示。

首先，利用多普勒效應(yīng)測(cè)試太陽(yáng)翼上測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度；其次，變換分析采集到的測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)，求出自功率譜，即可找出第一階固有頻率。在分析模型中去掉氣浮裝置后，太陽(yáng)翼展開(kāi)狀態(tài)的第一階固有頻率0.2Hz，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了各類(lèi)零重力補(bǔ)償方式的優(yōu)劣和適用情況，針對(duì)復(fù)雜展開(kāi)路徑太陽(yáng)翼的產(chǎn)品特點(diǎn)，最終采用氣浮式零重力補(bǔ)償方案。為克服收攏后氣浮裝置干涉的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套分跨式結(jié)構(gòu)的支撐工裝；為解決展開(kāi)試驗(yàn)時(shí)氣管與聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鉤掛問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套可上下調(diào)節(jié)，鎖緊氣管的氣管固定裝置。該方案通過(guò)了太陽(yáng)翼地面展開(kāi)試驗(yàn)和基頻試驗(yàn)的驗(yàn)證，可推廣至其他太陽(yáng)翼及機(jī)構(gòu)類(lèi)產(chǎn)品的零重力裝配和展開(kāi)試驗(yàn)。

1 從強(qiáng)．空間機(jī)構(gòu)地面重力補(bǔ)償設(shè)備跟蹤研究[J]. 航天器環(huán)境工程，2012(1)：92～99

2 陳艷平，程澤，李海月，等. 步式展開(kāi)太陽(yáng)翼地面零重力試驗(yàn)技術(shù)的研究[J]. 航天制造技術(shù)，2019(2)：63～64

3 任守志，劉立平. 零重力試驗(yàn)裝置對(duì)太陽(yáng)翼展開(kāi)影響分析[J]. 航天器環(huán)境工程，2008(6)：73～78

4 楊巧龍，閆澤紅，任守志，等. 套筒驅(qū)動(dòng)的大型可展收柔性太陽(yáng)翼地面展開(kāi)重力卸載研究[J]. 載人航天，2017(4)：536～540

5 周啟航. 空間機(jī)械臂地面零重力模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2012

6 齊乃明，張文輝，高九州，等. 空間微重力環(huán)境地面模擬試驗(yàn)方法綜述[J]. 航天控制，2011(3)：95～100

7 陳烈民. 衛(wèi)星太陽(yáng)翼展開(kāi)運(yùn)動(dòng)分析[J]. 中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，1992(2)：8～9

Research on Zero Gravity Test Technology of Solar Array with Complex Deployment Path

Hu Yahang Cheng Ze Wang Guoxing Zang Ziyi Duan Ping Wang Shuai

(Beijing Spacecraft Co., Ltd., Beijing 100190)

The assembly and test of the solar array must be carried out in a zero gravity environment. During the deployment of a solar array, the solar array?s center of mass motion trajectory is similar to a semicircular arc, which is a complex deployment path, and its gravity unloading is difficult. In this paper, a set of air-floating zero-gravity compensation equipment is designed, and a set of split-span air-floating device and air-floating platform are adopted to solve the problem of zero-gravity unloading of the solar array. The split-span design also solves the problem of interference after the solar array is folded. A set of tracheal fixing devices that can be adjusted up and down to lock the trachea are designed to solve the problem of the trachea and the solar array linkage mechanism hooking during the deployment test. The results show that the using of this assembly method not only can effectively carry out the assembly and deployment test, and fundamental frequency test, but also the assembly technical indicators of the solar array can be well guaranteed.

solar array with complex deployment path；zero gravity；air-floating deployment；split-span air-floating device；tracheal fixing device

胡亞航（1990），工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)；研究方向：空間機(jī)構(gòu)裝配和復(fù)材結(jié)構(gòu)部裝的工藝設(shè)計(jì)。

2020-09-22