張友建，李小明，2，張家齊，2，張立中，2，李響，2

（1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，長春 130022）

空間激光通信技術(shù)具有通信速率高、抗干擾能力強(qiáng)、抗截獲能力強(qiáng)、系統(tǒng)功耗小等優(yōu)勢(shì)，使其非常適合深空、星際、星地、空空、空地等鏈路通信，已成為打破微波通信速率提高困難的瓶頸，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星海量數(shù)據(jù)高速傳輸極具發(fā)展前景的潛在通信手段[1-2]。在星載激光通信系統(tǒng)中，由于通信光束發(fā)散角小，必須采用光端機(jī)對(duì)光束進(jìn)行瞄準(zhǔn)、捕獲與跟蹤[3]。周掃式光端機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大、運(yùn)動(dòng)負(fù)載小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合中小型低軌道衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大范圍的光軸對(duì)準(zhǔn)。而光端機(jī)在火箭發(fā)射過程中，振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境惡劣，易發(fā)射低頻共振，因此必須用鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行鎖緊以提高系統(tǒng)的諧振頻率。

目前航天應(yīng)用較成熟的鎖緊機(jī)構(gòu)一般采用爆炸螺栓等火工品對(duì)光端機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分進(jìn)行鎖定，但火工品有質(zhì)量大、解鎖振動(dòng)大、易產(chǎn)生污染等缺點(diǎn)。為替代火工品出現(xiàn)了采用電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)源的鎖緊機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是使用電磁鐵或記憶合金絲輸出的一端拉（壓）驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)完成拔銷或分瓣螺母分解等實(shí)現(xiàn)解鎖[4-6]，其存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、解鎖后無法重復(fù)鎖緊等問題。

形狀記憶合金作為一種新型的、具有形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect，SME）的金屬材料，在20世紀(jì)30年代開始被人們不斷的研究，美國NASA針對(duì)傳統(tǒng)的火工品解鎖機(jī)構(gòu)存在的問題，發(fā)展了形狀記憶合金（Shape memory alloy，SMA）柱驅(qū)動(dòng)分瓣螺母解鎖機(jī)構(gòu)[7-8]，該解鎖機(jī)構(gòu)具有承載大、體積小、低沖擊、無污染等優(yōu)點(diǎn)，但由于其依靠SMA柱驅(qū)動(dòng)，而SMA柱的作動(dòng)時(shí)間比較長，同步性基本得不到保障，使得其在很多場(chǎng)合根本無法使用。北京航空航天大學(xué)提出一種基于SMA的分瓣螺母空間解鎖機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于安裝體積小、解鎖速度快，但無法在軌重復(fù)使用[9]。本文針對(duì)星載周掃式激光通信光端機(jī)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)部分的鎖緊及解鎖需求，設(shè)計(jì)了一種基于形狀記憶合金絲的鎖緊機(jī)構(gòu)[10]，并重點(diǎn)對(duì)其鎖緊剛度進(jìn)行優(yōu)化，以降低鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖所需功耗。

1 周掃式激光通信光端機(jī)

周掃式光端機(jī)結(jié)構(gòu)形式示意圖如圖1所示。周掃式激光通信光端機(jī)后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星星體上保持不動(dòng)，光端機(jī)可繞Z1軸做方位轉(zhuǎn)動(dòng)，繞Y1軸做俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，通過兩面分別跟隨方位軸與俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡調(diào)整光軸方向，實(shí)現(xiàn)光軸跟蹤與對(duì)準(zhǔn)。

圖1 周掃式光端機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

周掃式光端機(jī)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，光端機(jī)主要由方位軸系、俯仰軸系、反射鏡組件、導(dǎo)電滑環(huán)、遮光罩和鎖緊機(jī)構(gòu)構(gòu)成，方位軸系通過法蘭安裝在衛(wèi)星平臺(tái)上，帶動(dòng)光端機(jī)做方位轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰軸系帶動(dòng)反射鏡組件1及遮光罩做俯仰運(yùn)動(dòng)，通過兩面反射鏡完成光軸的調(diào)整。光端機(jī)通光口徑為70 mm。由于運(yùn)載火箭發(fā)射過程當(dāng)中光端機(jī)電機(jī)不上電，系統(tǒng)的方位和俯仰軸處于自由狀態(tài)，為保證發(fā)射狀態(tài)下光端機(jī)諧振頻率滿足要求，必須對(duì)光端機(jī)進(jìn)行鎖緊。傳統(tǒng)鎖緊用的爆炸螺栓重量為500 g，造成系統(tǒng)重量超出設(shè)計(jì)要求。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)記憶合金驅(qū)動(dòng)的新型鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊機(jī)構(gòu)通過支架與光端機(jī)方位軸系軸座固連，通過鎖緊鉤對(duì)遮光罩進(jìn)行鎖定，實(shí)現(xiàn)光端機(jī)的鎖緊。

圖2 周掃式光端機(jī)結(jié)構(gòu)剖視圖

2 鎖緊機(jī)構(gòu)原理

鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，周掃式光端機(jī)位于鎖緊位置時(shí)，方位軸與俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)遮光罩向A方向運(yùn)動(dòng)，因此只要考慮限制遮光罩沿A方向的運(yùn)動(dòng)，即采用一個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)限制遮光罩的運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)軸系的鎖定。

圖3 鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

鎖緊機(jī)構(gòu)采用鎖緊鉤結(jié)構(gòu)，定位楔塊與鎖緊機(jī)構(gòu)基座同光端機(jī)基座相連，兩者位置固定。鎖緊鉤可繞旋轉(zhuǎn)軸O1轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖緊鉤一端連接彈簧，通過彈簧彈力將鎖緊鉤頂起實(shí)現(xiàn)鎖緊。記憶合金絲一端與鎖緊基座固定另一端連接鎖緊鉤，鎖緊機(jī)構(gòu)中使用的記憶合金絲具熱縮性，因此記憶合金絲在鎖緊機(jī)構(gòu)基座中繞絕緣柱排布，在有限的空間里最大化的增加記憶合金絲的總體長度，進(jìn)而增加其熱收縮變形量。鎖緊時(shí)光端機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置后遮光罩一端與定位楔塊的斜面貼合另一端被頂起的鎖緊鉤頂住，遮光罩被鎖緊結(jié)構(gòu)限制無法運(yùn)動(dòng)，光端機(jī)兩回轉(zhuǎn)軸被鎖住無法轉(zhuǎn)動(dòng)。解鎖時(shí)，通過給記憶合金絲通電加熱而收縮，克服彈簧彈力帶動(dòng)鎖緊鉤落下，光端機(jī)方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)遮光軸平移出鎖定位置完成解鎖。

3 鎖緊機(jī)構(gòu)參數(shù)分析

鎖緊鉤子結(jié)構(gòu)如圖4所示，鎖緊鉤與遮光軸接觸錐面角度設(shè)計(jì)為θ，保證鎖緊鉤鎖緊可靠。Fj為記憶合金絲拉力，lj為Fj作用在回轉(zhuǎn)軸O1上的力臂，F(xiàn)t為彈簧彈力，lt為彈力作用在旋轉(zhuǎn)軸O1上的力臂，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)θ=3°，解鎖時(shí)鎖緊鉤移動(dòng)距離為10 mm。

圖4 鎖緊鉤受力分析圖

根據(jù)周掃轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)三維模型分析轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)部件繞方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為24 863 kg·mm2，方位軸距鎖緊點(diǎn)的距離D為117 mm，發(fā)射時(shí)系統(tǒng)所受的最大加速度載荷a為60 g。發(fā)射時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)所受的最大推力F為：

由圖4可見，推力F作用在錐面上后其產(chǎn)生的分力F1產(chǎn)生的力矩有推動(dòng)鎖緊鉤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，彈簧的彈力Ft必須抵消該力矩，否則會(huì)造成鎖緊失效。為保證彈簧有足夠的彈力，則：

根據(jù)設(shè)計(jì)l=3.28 mm，lt=55 mm，lj=44 mm，由上式得：

因此鎖緊時(shí)要求彈簧彈力要大于64 N。

根據(jù)圖4可知，C點(diǎn)沿Ft方向上的位移?C與B點(diǎn)沿F方向上位移?B的關(guān)系為：

所以當(dāng)鎖緊彈簧剛度為k時(shí)，其在B點(diǎn)處產(chǎn)生的鎖緊剛度kB為：

4 鎖緊剛度分析

鎖緊機(jī)構(gòu)是采用彈簧通過鎖緊鉤對(duì)機(jī)構(gòu)提供鎖緊力，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)鎖緊，所以鎖緊時(shí)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在遮光罩鎖緊處采用了一個(gè)彈性系統(tǒng)，系統(tǒng)的剛度直接影響系統(tǒng)諧振頻率。因此，將鎖緊結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)彈簧單元，一端與遮光罩連接，另一端與鎖緊盤連接，彈簧方向沿圖中A方向，采用RBE2單元限制遮光罩其余兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。用有限元方法分析在不同彈簧剛度作用下系統(tǒng)的諧振頻率變化情況，整機(jī)有限元模型如圖5所示。

圖5 周掃式光端機(jī)有限元模型

由圖6系統(tǒng)一階模態(tài)與鎖緊剛度的關(guān)系圖可見，隨著鎖緊剛度kB的增大，周掃轉(zhuǎn)臺(tái)的一階模態(tài)不斷提高，當(dāng)剛度達(dá)到5 700 N/mm后一階模態(tài)大于70 Hz，當(dāng)剛度大于8 500 N/mm后，由于遮光軸剛度的限制，轉(zhuǎn)臺(tái)一階模態(tài)不再明顯增大。鎖緊剛度大，有利于提高轉(zhuǎn)臺(tái)的一階模態(tài)，但同時(shí)會(huì)造成所需解鎖力增大，一方面增加記憶合金的拉力對(duì)合金強(qiáng)度提出更高要求，同時(shí)也增加了解鎖功耗，為此在滿足轉(zhuǎn)臺(tái)一階模態(tài)設(shè)計(jì)要求的前提下應(yīng)該盡量減小鎖緊剛度。

圖6 系統(tǒng)一階模態(tài)與鎖緊剛度關(guān)系圖

由于轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求鎖緊時(shí)一階模態(tài)大于70 Hz，留取設(shè)計(jì)余量后鎖緊剛度kB選取為6 500 N，鎖緊彈簧剛度為，彈簧在鎖緊時(shí)壓縮量大于3.5 mm，解鎖時(shí)彈簧繼續(xù)壓縮10 mm，解鎖力為Fj=kΔl=200 N。

5 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

如圖7所示，選取一段彈簧剛度k=20 N/mm的彈簧，首先在彈簧與鎖緊機(jī)構(gòu)基座連接的地方墊一個(gè)墊片，通過修整墊片的高度來調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量在3.5 mm，并將裝配好的鎖緊機(jī)構(gòu)固定在鎖緊盤上。

圖7 鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

如圖8所示，設(shè)計(jì)工裝模擬遮光罩，在工裝的中間安裝一個(gè)壓力傳感器（讀數(shù)單位kg），將鎖緊機(jī)構(gòu)通電加熱，使鎖緊鉤回縮，將工裝固定在鎖緊盤上，并將鎖緊機(jī)構(gòu)斷電，使鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)模擬遮光罩的工裝進(jìn)行鎖緊，通過壓力傳感器可以測(cè)得目前狀態(tài)下工裝所承受的鎖緊力為1 072 N。

圖8 鎖緊力測(cè)試系統(tǒng)

在室溫條件下對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，給記憶合金絲通12 V/3 A電源，通過單片機(jī)控制通斷電，對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)重復(fù)解鎖/鎖緊試驗(yàn)200次，鎖緊機(jī)構(gòu)依然可以正常工作。

將此記憶合金鎖緊機(jī)構(gòu)安裝到周掃式激光通信光端機(jī)上，在鎖緊狀態(tài)時(shí)進(jìn)行了掃頻測(cè)試，振動(dòng)臺(tái)參數(shù)如表1所示。

表1 掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件

對(duì)周掃式跟瞄系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行x、y、z三個(gè)方向的三次掃頻實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及測(cè)試曲線如圖9所示。

圖9 y向掃頻測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

在圖10（a）、圖10（b）、圖10（c）中所示的掃頻曲線為對(duì)數(shù)掃頻，其縱坐標(biāo)表示幅值比，橫坐標(biāo)表示頻率，單位為Hz。掃頻在Y向得到的頻率最低為76.48 Hz，測(cè)試曲線如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊時(shí)的一階諧振頻率為76.48 Hz與設(shè)計(jì)值75 Hz僅存在0.68%的誤差，滿足鎖緊時(shí)一階固有頻率≥70 Hz的指標(biāo)要求。

圖10 測(cè)試曲線

在完成加速度載荷a=60 g，時(shí)間3 ms的后向矩齒波沖擊測(cè)試后，周掃式光端機(jī)能夠正常工作，鎖緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)合理，滿足使用要求。

6 結(jié)論

本文以應(yīng)用于周掃式轉(zhuǎn)臺(tái)的采用記憶合金解鎖的鎖緊機(jī)構(gòu)為對(duì)象，分析了鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊彈簧剛度與轉(zhuǎn)臺(tái)一階模態(tài)的關(guān)系，在保證轉(zhuǎn)臺(tái)一階模態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下優(yōu)化選取了鎖緊機(jī)構(gòu)參數(shù)，使鎖緊結(jié)構(gòu)具有較小的解鎖力，減小對(duì)記憶合金絲的要求和解鎖功耗。鎖緊狀態(tài)下周掃轉(zhuǎn)臺(tái)掃頻試驗(yàn)表明轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊時(shí)的一階諧振頻率為76.48 Hz，優(yōu)化后的鎖緊結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致，滿足設(shè)計(jì)要求。