路瑞龍,張從發(fā),韓靜濤,黎 彪,劉 勇,于春宇,李占華

(1. 北京科技大學材料科學與工程學院,北京 100083； 2. 中國空間技術(shù)研究院總體部,北京 100094；3. 石家莊鐵道大學機械工程學院,石家莊 050043)

0 引 言

隨著航天器技術(shù)進步,空間展開機構(gòu)的種類與應(yīng)用也越來越多?？臻g展開機構(gòu)是指在發(fā)射時將部件收攏成可抗發(fā)射載荷的滿足發(fā)射包絡(luò)的收攏態(tài),入軌后將部件展開至工作位置的機構(gòu)。根據(jù)航天器部件在展開前后形狀變化特點,空間展開機構(gòu)分為線狀展開機構(gòu),面狀展開機構(gòu),體狀展開機構(gòu)。作為一種線狀展開機構(gòu),卷筒式伸桿機構(gòu)相比于機械式展開機構(gòu)具有體積小、重量輕、自驅(qū)動以及自剛化等優(yōu)點,近年來備受各類航天器用戶青睞,特別是在“張衡一號”、“嫦娥四號”、“天問一號”等空間探測器上成功應(yīng)用,卷筒式伸桿機構(gòu)成為此類展開機構(gòu)的發(fā)展趨勢。在小衛(wèi)星領(lǐng)域,卷筒式伸桿機構(gòu)契合了小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型通用化、小型化、專用化、多功能一體化的多元同步發(fā)展態(tài)勢。因此,研究卷筒式伸桿機構(gòu)具有重要意義。

為了總結(jié)與借鑒卷筒式伸桿機構(gòu)研究與應(yīng)用經(jīng)驗,促進卷筒式伸桿機構(gòu)技術(shù)發(fā)展,本文對卷筒式伸桿機構(gòu)的研究進展與應(yīng)用狀況進行了闡述,提出了卷筒式伸桿機構(gòu)的發(fā)展趨勢與建議,旨在為航天器卷筒式伸桿機構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 卷筒式伸桿機構(gòu)的組成特點、工作原理及分類

卷筒式伸桿機構(gòu)(如圖1所示),通常被稱為STACER(Spiral tube and actuator for controlled extension and retraction),不同于傳統(tǒng)航天器展開機構(gòu),由動力源、傳動副和執(zhí)行部件構(gòu)成,卷筒式伸桿機構(gòu)是一體化設(shè)計機構(gòu),動力源、傳動副和執(zhí)行部件全部通過核心部件卷筒式伸桿實現(xiàn),是一種典型的基于材料特性的展開機構(gòu),動力源由儲存于材料內(nèi)部的彈性能提供,傳動副和執(zhí)行部件亦是由材料構(gòu)型的變化而實現(xiàn)。卷筒式伸桿機構(gòu)采用驅(qū)動支撐一體化設(shè)計,具有輕質(zhì)、大收納比、小收攏包絡(luò)、自驅(qū)動、自剛化等特點；還具有一維直線展開、軌跡可控、布局方便,高可靠性等優(yōu)點；特殊的連續(xù)螺旋薄殼構(gòu)型使其具備良好的熱對稱性,避免了非封閉伸桿機構(gòu)的熱顫現(xiàn)象。

圖1 卷筒式伸桿機構(gòu)Fig.1 STACER

卷筒式伸桿機構(gòu)的主要核心部件卷筒式伸桿(又稱彈性卷筒,Spiral Tube,有時為了簡化也將卷筒式伸桿稱為STACER)是由一定寬度的超薄金屬帶材,以恒定直徑()、恒定螺旋角()與螺距()制成的類薄壁管。收攏狀態(tài)為超薄帶卷,展開狀態(tài)為螺旋纏繞管,后一圈緊抱住前一圈,相鄰兩圈具有一定的重疊率,在幾何約束和層間接觸摩擦力的耦合作用下,形成具有一定剛度的類薄壁管,如圖2 所示。

圖2 展開狀態(tài)卷筒式伸桿示意圖Fig.2 Schematic drawing of a deployed STACER

卷筒式伸桿機構(gòu)按應(yīng)用范圍分為三類：1)作為電場儀等有效載荷的可伸縮支撐桿,如POLAR、FAST、THEMIS、RBSP、DEMETER探測器等；2)作為探測天線,如STEREO、MAVEN、Solar Orbiter等探測器；3)作為其它展開機構(gòu)驅(qū)動源,如STEREO衛(wèi)星上的IMPACT套筒機構(gòu)等。

卷筒式伸桿機構(gòu)按使用方式分為單次和可重復使用兩種形式,如圖3和圖4所示,可重復使用STACER具有展開輔助裝置,如圖4(c)所示。

圖3 單次使用卷筒式伸桿機構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of a single-use STACER

圖4 可重復使用卷筒式伸桿機構(gòu)及其輔助裝置Fig.4 Reusable STACER and its deployment assist device

2 卷筒式伸桿的研究進展

卷筒式伸桿機構(gòu)作為一種彈簧天線可以追溯到20世紀60年代,由美國Hunter彈簧公司(現(xiàn)屬于Ametek公司)研發(fā)出來。由于此類天線的獨有特性,被廣泛用于航天與軍事項目。它可以依靠自身驅(qū)動力迅速展開至全長,長度可達10 m以上,常用作天線、天線支撐結(jié)構(gòu)、太陽能陣列支撐結(jié)構(gòu)、線性致動器、能量吸收器、遠程定位、傳感器探頭等。

Bale等稱,STACER是一種螺旋的、具有固定螺距、固定直徑的扁彈簧,可以根據(jù)需要選擇不同板帶寬度、厚度,螺旋直徑和螺距,使STACER在不同的應(yīng)用中發(fā)揮最佳性能。大多數(shù)STACER產(chǎn)品長度為1～10 m,直徑可變范圍為4～55 mm,可以提供高于200 N的展開驅(qū)動力,典型的制作材料為不銹鋼、鈹青銅和Elgiloy合金。

NASA和歐空局(ESA)對于卷筒式伸桿機構(gòu)的研究與應(yīng)用均較早。然而,由于其應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性,幾乎所有的報道與論著都不涉及卷筒式伸桿的成形原理與工藝細節(jié),僅有極少數(shù)文獻[5]給出了制作卷筒式伸桿時采用的典型材料,較為籠統(tǒng)地介紹了卷筒式伸桿的尺寸規(guī)格與主要特性參數(shù)；報道中對卷筒式伸桿機構(gòu)的描述主要側(cè)重于應(yīng)用型號及其在該型號中發(fā)揮的主要功能上。

中國于2012年在“張衡一號”電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星上開展了卷筒式伸桿機構(gòu)研制,隨后又成功將其應(yīng)用于“嫦娥四號”月球探測器和“天問一號”火星探測器。以下將從卷筒式伸桿的成形原理探索、成形工藝、仿真優(yōu)化、設(shè)備與產(chǎn)品制造、性能測試等方面展開論述。

2.1 卷筒式伸桿的成形原理探索

2014年,北京科技大學李占華等對卷筒式伸桿機構(gòu)核心部件卷筒式伸桿(又稱彈性卷筒)的成形原理進行了初步探索,采用通用有限元軟件ABAQUS對沒有螺旋角的扁平螺旋彈簧(卷筒式伸桿初探模型)建立了有限元模型,模擬與冷卷繞過程如圖5所示,板帶在后張力作用下,通過固定裝置,逐漸纏繞于芯軸上。

圖5 冷卷繞過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of cold winding process

該研究在不同參數(shù)條件下分析了彈簧回彈后的殘余應(yīng)力變化規(guī)律：外層最大,內(nèi)層最小,且殘余應(yīng)力隨著后張力的增加而增大；另外,殘余應(yīng)力隨著彈簧成形直徑的增加而增大；且殘余應(yīng)力隨著彈簧板材厚度的增加而增大,在板材寬度方向由邊緣到中心呈先下降再上升的規(guī)律,類似于“Ω”狀。

基于卷筒式伸桿構(gòu)型與使用要求,主要采用板料彎曲成形原理。李占華對板料彎曲成形的研究現(xiàn)狀以及彎曲回彈的預(yù)測與控制進行了細致地研究,在板料彎曲理論方面采用了Hill中性層移動概念,利用了指數(shù)強化材料模型與更能反映材料特性的Hill各向異性屈服準則,在反向加載過程中,采用了混合強化模型,對卷筒式伸桿的成形方法進行了理論建模研究,形成了拉壓復合連續(xù)彎曲(Composi-ting stretch and press bending,CSPB)成形原理：在壓彎模具基礎(chǔ)上,對帶材兩側(cè)施加張力,并使帶材自一側(cè)拉出,當帶材與模具法向呈一定角度喂料時,可實現(xiàn)卷筒式伸桿的成形,成形原理如圖6所示。成形模具結(jié)構(gòu)由凸模和凹模構(gòu)成,板帶以一定角度置于兩模具之間,此角度與卷筒式伸桿的自然螺旋角直接相關(guān)。

圖6 CSPB成形原理模型圖Fig.6 CSPB forming principle model

2.2 卷筒式伸桿成形數(shù)值模擬的研究進展

卷筒式伸桿類似于恒力彈簧,其優(yōu)異性能依賴于卷層各位置等自然曲率的特性,2016年與2017年,北京科技大學與中國空間技術(shù)研究院的研究人員結(jié)合有限元顯式(Explicit)算法與隱式(Standard)算法的各自優(yōu)勢,利用ABAQUS軟件對此構(gòu)件的成形過程進行了數(shù)值模擬,對影響成形過程的關(guān)鍵工藝參數(shù)后張力、模具間隙、模具圓角、帶材厚度分別進行了數(shù)值模擬分析,并通過試驗驗證了模擬結(jié)果的準確性,結(jié)果表明,通過帶材兩側(cè)的張力作用與反向彎曲,有效改善了冷成形卷筒式伸桿制件的殘余應(yīng)力,提高了冷成形制件的穩(wěn)定性；總結(jié)出關(guān)鍵工藝參數(shù)對成形過程的影響規(guī)律：隨成形間隙減小,帶材彎曲曲率半徑減小,隨著變形程度的增加,卷筒式伸桿構(gòu)件成形直徑減小；隨著模具圓角減小,成形直徑減??；后張力在0～30 N范圍內(nèi)對制件直徑影響不大,增大后隨之影響加?。浑S帶材厚度增加,成形直徑先減小后增加；通過試驗對數(shù)值模擬過程進行了驗證,試驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)表現(xiàn)出相同的規(guī)律,試驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)的最大數(shù)值誤差小于8%,驗證了模擬數(shù)據(jù)的可靠性,可作為生產(chǎn)實踐的依據(jù)。

2.3 卷筒式伸桿成形設(shè)備與工藝的研究進展

2017年,北京科技大學與中國空間技術(shù)研究院的研究人員根據(jù)卷筒式伸桿成形數(shù)值模擬與樣機試驗工藝參數(shù)分析,設(shè)計制造了成形設(shè)備,具有開卷、收卷、成形、帶材糾偏、后張力給定等功能；成形過程主要驅(qū)動力由收卷側(cè)提供,采用伺服電機結(jié)合PLC控制,實時監(jiān)控成形過程；為滿足不同制件螺旋角的需求,設(shè)備加入螺旋角調(diào)整裝置,成形設(shè)備如圖7所示。

圖7 卷筒式伸桿成形設(shè)備Fig.7 Forming equipment for the spiral tube

利用成形設(shè)備,通過上料與引帶、成形工藝參數(shù)調(diào)整、卷筒式伸桿逐漸成形、產(chǎn)品出件等工藝過程進行卷筒式伸桿的制備。卷筒式伸桿實物如圖8所示。

圖8 卷筒式伸桿實物圖Fig.8 Photo of the spiral tube

2.4 卷筒式伸桿性能測試技術(shù)的研究進展

2017年北京科技大學與中國空間技術(shù)研究院的研究人員對卷筒式伸桿關(guān)鍵服役力學性能進行了測試與研究：1)展開驅(qū)動力測試,測試原理如圖9所示,在展開起始階段,展開驅(qū)動力為40 N左右,隨著展開過程持續(xù),展開驅(qū)動力下降,在其衰減至平穩(wěn)段時,展開驅(qū)動力為25 N左右,可實現(xiàn)全過程穩(wěn)定展開與自支撐。2)彎曲剛度測試,測試時將卷筒式伸桿一端水平固支,卷筒式伸桿作為懸臂受重力作用而自然下垂,通過測量其頂端最大撓度值來計算彎曲剛度。彎曲剛度測試原理如圖10所示。經(jīng)測試與計算,卷筒式伸桿彎曲剛度值可達23.78 kg.m,接近于同類型薄壁管元件彎曲剛度值(26.9 kg.m)。3)指向精度測試,測試原理如圖11所示,在簡化模型中采用偏離角來衡量指向性的優(yōu)劣,經(jīng)測試,偏離角小于0.6°,很好地滿足了卷筒式伸桿展開指向精度要求。

圖9 展開驅(qū)動力測試示意圖Fig.9 Measurement of the driving force during deployment

圖10 彎曲剛度測試原理Fig.10 Test principle of the bending stiffness

圖11 指向精度測試原理Fig.11 Test principle of the pointing precision

以上關(guān)鍵服役力學性能測試還相對有限,不能全面體現(xiàn)卷筒式伸桿機構(gòu)在軌服役時性能發(fā)揮的優(yōu)劣,也不能體現(xiàn)出其在軌服役時與航天器其他部件的耦合性能關(guān)系。因此,我們應(yīng)該綜合分析航天器力學環(huán)境,采用先進的理論方法,高精度的有限元模型與修正技術(shù),并且精確地設(shè)計出力學環(huán)境條件,為卷筒式伸桿機構(gòu)更加有效地應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

2016年,清華大學吳江對卷筒式伸桿建立了柔性多體動力學模型,對其展開過程進行了仿真,得出卷筒式伸桿的兩種展開模式：金屬帶各圈由內(nèi)而外逐次展開和各圈幾乎同步展開。通過仿真、試驗與理論分析,揭示了卷筒式伸桿準靜態(tài)展開時兩種展開模式下展開推力的變化規(guī)律,但最新結(jié)果表示僅能對700 mm長卷筒式伸桿進行仿真分析。卷筒式伸桿的仿真分析需要從薄殼的物理、幾何、平衡方程出發(fā),利用有限元方法進行數(shù)值求解,主要困難在于問題的強非線性,并且還是一個動態(tài)問題,每增加一個伸展步長,都要求解一個“靜態(tài)”非線性問題；同時,受鋼帶厚度(0.1～0.15 mm)制約,鋼帶網(wǎng)格單元不能過疏,這又進一步加劇了數(shù)值仿真的難度。為滿足大尺寸卷筒式伸桿的分析驗證,需要進一步開展仿真研究。另外,此研究對特定成形方式制件得到了較為吻合的結(jié)果,其他方式成形制件的仿真與試驗結(jié)果有待進一步探究。

2016年,中國空間技術(shù)研究院于春宇等針對卷筒式伸桿應(yīng)用變分方法的思想,以研究鋼帶變形的幾何特性為基礎(chǔ),構(gòu)造出鋼帶構(gòu)型恰當?shù)目赡芎瘮?shù)空間,并利用形狀函數(shù)隨伸展長度的變化規(guī)律求出鋼帶的主應(yīng)變以及變形能,再利用勢能極小原理,確定出鋼帶真實構(gòu)型以及相應(yīng)的變形能,最終利用變形能和虛功原理得出伸展力。此方法既簡化了計算又得到了鋼帶形狀函數(shù)、展開力的近似解形式,為展開力影響因素的定量分析提供了條件。

2019年,北京航空航天大學吳健等對卷筒式伸桿機構(gòu)展開過程仿真實現(xiàn)方法進行了研究,建立了展開過程原理樣機與計算模型,在運動狀態(tài)分析結(jié)果基礎(chǔ)上建立了機構(gòu)展開過程的參數(shù)化動力學仿真模型,并實現(xiàn)了仿真結(jié)果可視化。然而,此研究是基于材料力學理論進行的研究,應(yīng)從更多方面考慮物理、幾何與邊界條件等問題,不宜對模型進行過度簡化,以免影響仿真結(jié)果的可靠性。

2020年,中國空間技術(shù)研究院與北京科技大學的研究人員針對卷筒式伸桿機構(gòu)在發(fā)射過程中彈性卷筒部件與執(zhí)行器的應(yīng)力狀態(tài)與穩(wěn)定性,應(yīng)用顯示動力學方法建立了有限元模型,研究了卷筒式伸桿頂端直徑對卷筒式伸桿機構(gòu)展開和收攏過程的影響,以及卷筒式伸桿機構(gòu)收攏與展開過程中帶材表面摩擦系數(shù)與加速度對展開穩(wěn)定性的影響,機械測試結(jié)果與仿真結(jié)果的受力趨勢相近,為卷筒式伸桿機構(gòu)的設(shè)計與發(fā)射參數(shù)改進提供了理論借鑒。

2020年,中國空間技術(shù)研究院黎彪等針對卷筒式伸桿機構(gòu)的展開剛度問題,分析了卷筒式伸桿機構(gòu)的工作原理,基于等效連續(xù)體模型推導了卷筒式伸桿的構(gòu)形參數(shù)與剛度的關(guān)系式,分析了卷筒式伸桿末端螺旋角、末端半徑、帶厚、帶寬對展開剛度的影響。分析得出：末端半徑的增大能同時提高卷筒式伸桿的一階頻率和比剛度,而帶寬的增大將導致卷筒式伸桿的一階頻率和比剛度均降低；卷筒式伸桿的一階頻率隨帶厚的增加近似線性增大,但比剛度隨帶厚的增大而近似按雙曲線規(guī)律下降,卷筒式伸桿末端螺旋角在62°～75°時,卷筒式伸桿的比剛度可獲得最優(yōu)值。卷筒式伸桿的剛度測試結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致,校驗了理論分析方法的有效性。該研究成果對卷筒式伸桿展開剛度的影響因素做了較為準確的研究,為卷筒式伸桿的應(yīng)用提供了很好的借鑒。

2021年,欣諾冷彎型鋼產(chǎn)業(yè)研究院(曹妃甸)有限公司與北京空間飛行器總體設(shè)計部的研究人員針對卷筒式伸桿機構(gòu)進行了相關(guān)發(fā)明：1)一種輕小型線性展開機構(gòu)并給出了其使用方法,該機構(gòu)采用支撐一體化設(shè)計,展開長度0.5～2 m,收攏體積小于?0.04 m×0.1 m,質(zhì)量小于200 g,具有超小體積收納,超輕質(zhì)量,且展開狀態(tài)具有較好剛度的優(yōu)點,為深空科學探測提供了一種收納體積小,重量輕的線性展開機構(gòu)；2)一種無扭轉(zhuǎn)預(yù)緊力加載裝置及方法,適用于卷筒式伸桿壓緊,操作簡便,能夠?qū)︻A(yù)緊力進行實時顯示,而且被壓緊裝置不承受扭轉(zhuǎn)載荷,保證了被壓緊裝置內(nèi)多個部件的相對位置關(guān)系；3)一種測試彈性卷筒熱變形的系統(tǒng)和方法,該方法不影響待測彈性卷筒的展開與展開精度,具有測量精度高的優(yōu)點,且搭建簡單、實施快捷高效、成本低廉的優(yōu)勢。

3 卷筒式伸桿機構(gòu)的應(yīng)用狀況

近年來,從探測火箭傳感器到末端有大質(zhì)量載荷的重力梯度伸桿,已經(jīng)有超過700多套卷筒式伸桿機構(gòu)被應(yīng)用于各類航天器。在大部分應(yīng)用中,STACER被用作支撐桿,將載荷直接安裝于頂端。

1996年～2020年,美國國家航空航天局(NASA)和歐空局(ESA)將卷筒式伸桿機構(gòu)應(yīng)用于多個探測器,1996年2月24日NASA發(fā)射了POLAR系列衛(wèi)星,該系列衛(wèi)星上的等離子體波儀(Plasma wave instrument,PWI)與電場儀(Electric fields instrument,EFI)被同時布置在端到端距離為14 m的剛性STACER末端,伸桿軸線與航天器自旋軸同軸,卷筒式伸桿在航天器發(fā)射前處于收攏狀態(tài),航天器進入預(yù)定軌道后逐漸展開,將有效載荷伸展至遠離星體的位置以便進行無干擾探測。

1996年8月21日NASA發(fā)射了FAST系列衛(wèi)星,該系列衛(wèi)星載荷中磁場和電場探測載荷的軸向伸桿由卷筒式伸桿、導向和支撐輥、展開輔助裝置、帶電場偏置元件的球形傳感器和碳纖維外殼構(gòu)成。卷筒式伸桿元件采用0.12 mm(厚)×126 mm(寬)的Elgiloy合金冷成形制成,具有恒定的自由螺旋直徑和螺旋角。對于單根STACER,軸對稱的圓周熱流使其具有熱對稱性的優(yōu)勢,另外,它不需要電機驅(qū)動,而且線纜可以很容易地從STACER中心穿過。2000年7月和8月NASA和ESA發(fā)射了CLU-STER系列(4顆)衛(wèi)星,該系列衛(wèi)星均采用了5 m長的卷筒式伸桿機構(gòu)來支撐磁強計進行科學探測；2004年6月底法國國家空間研究中心(CNES)發(fā)射了DEMETER系列衛(wèi)星,該系列衛(wèi)星的四個電場測量儀分別使用了四個球形電極和嵌入式前置放大器裝載于卷筒式伸桿機構(gòu)頂端,在距離星體4 m的位置進行電場探測。2006年NASA發(fā)射了STEREO系列航天器,該航天器上粒子與日冕物質(zhì)拋射原位測量儀(IMPACT)和日地關(guān)聯(lián)波探測天線(S/WAVES)也采用了STACER,在IMPACT中,Elgiloy材質(zhì)的STACER被固定在IMPACT伸桿頂端,作為超高溫電子探測儀(STE-D)和太陽風電子分析儀(SWEA)載荷的剛性支撐；而S/WAVES則選用鈹青銅STACER,直接作為天線使用。

2007年至今NASA發(fā)射了5顆THEMIS系列衛(wèi)星,在該系列衛(wèi)星的科學載荷中,軸向電場測量機構(gòu)采用可展開剛性伸桿支撐鞭狀傳感器以完成對Z軸電場的測量,每個軸向剛性伸桿機構(gòu)由卷筒式伸桿、滾輪支撐作為展開輔助裝置、前置放大器、鞭狀傳感器、線纜和線軸組成,如圖12所示。

圖12 THEMIS在軌伸桿展開構(gòu)型圖Fig.12 Configuration of THEMIS with the booms deployed on-orbit

2012年NASA發(fā)射了RBSP系列(2顆)衛(wèi)星,這兩顆衛(wèi)星分別安裝了兩根6 m長的軸向伸桿(STACER)將電場儀伸至遠離星體的位置進行電場探測；2013年NASA發(fā)射了MAVEN火星探測器,其上裝載的朗繆爾探針與波探測儀(LPW)使用了兩根伸桿和兩個傳感器,兩根伸桿均為鈹青銅材質(zhì)卷筒式伸桿,長約7.1 m,可以提供大約10 N的軸向展開力,在其頂端安裝有前置放大器和傳感器,以便進行有效的科學探測。

2020年NASA發(fā)射了Solar Orbiter探測器,在此探測器的科學儀器中,最重要的是射頻等離子體波儀(Radio and plasma waves,RPW),三個RPW電天線均包含一個1 m長的剛性伸展臂和一根6.5 m長的STACER,STACER正是電傳感器本身,如圖13中射頻等離子體波儀三根天線所示,由Co基無磁高彈性Elgiloy合金制成,為航天器載荷探測任務(wù)提供了可靠保障。

圖13 太陽軌道器有效載荷構(gòu)型圖Fig.13 Payload accommodation onboard the Solar Orbiter

另外,卷筒式伸桿機構(gòu)因其具有輕質(zhì)、小收攏包絡(luò)尺寸、自驅(qū)動展開(減少對衛(wèi)星平臺能源、電控系統(tǒng)的需求)等特點,越來越多地被應(yīng)用到微小衛(wèi)星上,如NASA研制的TERSat衛(wèi)星和CENEMA立方星(如圖14所示),均采用卷筒式伸桿機構(gòu)作為主載荷的伸展機構(gòu)。

圖14 CINEMA立方星示意圖Fig.14 Schematic of CubeSat CINEMA

在中國,卷筒式伸桿機構(gòu)已應(yīng)用于多個航天器,典型應(yīng)用描述如下。

2018年2月2日中國發(fā)射的“張衡一號”電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星上裝載了四套電場探測儀(如圖15所示),電場探測儀的探頭支撐桿采用了卷筒式伸桿機構(gòu)組件,為高精度探測電場提供了可靠保障。

圖15 衛(wèi)星載荷與伸桿布局圖Fig.15 Satellite layout design of payload and booms

2018年12月8日中國發(fā)射了“嫦娥四號”月球探測器,“嫦娥四號”工程首次實現(xiàn)了人類探測器在月球背面軟著陸與巡視探測,并首次實現(xiàn)通過地月L2點中繼星將探測數(shù)據(jù)傳回地球,為實現(xiàn)探測器對太陽爆發(fā)產(chǎn)生的低頻電場和著陸區(qū)上空的月球電離層探測,“嫦娥四號”著陸器上新增了低頻射電頻譜儀,低頻射電頻譜儀采用三分量(矢量)接收天線來接收太陽和空間電磁信號。圖16給出了“嫦娥四號”月球探測器低頻射電頻譜儀三分量接收天線(天線A、B、C)模型圖,三分量接收天線均采用5 m長卷筒式伸桿機構(gòu),通過在月球背面進行低頻射電天文觀測,精確測量來自太陽、行星和其他宇宙天體電波信號,對研究天體演化具有重要科學意義。

圖16 低頻射電頻譜儀三分量接收天線Fig.16 Tri-pole antenna of the very low frequency radio spectrometer

在深空探測領(lǐng)域,中國首次自主火星探測任務(wù)“天問一號”探測器于2020年7月23日發(fā)射成功?！疤靻栆惶枴杯h(huán)繞器上的四根偶極子天線,即為卷筒式伸桿機構(gòu),它們解決了有效載荷及特殊功能構(gòu)件需求與運載條件限制之間的矛盾,使有效載荷可以有效發(fā)揮探測功能。

在“天問一號”探測器上,卷筒式伸桿機構(gòu)(偶極子天線)被用作火星軌道器次表層探測雷達(Mars orbiter subsurface investigation radar MOSIR)軸與軸天線,與其他天線共同進行火星表面材料成分、次表層結(jié)構(gòu)和電離層的總電子含量研究,同時它們也可以在火星轉(zhuǎn)移軌道進行被動觀測,之后將有效載荷探測的科學數(shù)據(jù)向地面回傳。

4 卷筒式伸桿機構(gòu)的發(fā)展趨勢及建議

縱觀卷筒式伸桿機構(gòu)發(fā)展歷程,從大型航天器到微小衛(wèi)星,從有效載荷支撐桿到天線或驅(qū)動單元,卷筒式伸桿機構(gòu)逐漸向著小型化、輕量化、大收納比和高精度的方向發(fā)展。

1)微小衛(wèi)星的發(fā)展促進了卷筒式伸桿機構(gòu)向小型化方向發(fā)展；

2)受航天器發(fā)射質(zhì)量制約,輕量化是卷筒式伸桿機構(gòu)發(fā)展的一個重要方向；

3)作為航天器展開機構(gòu),通過改進結(jié)構(gòu)構(gòu)型增大收納比,是在輕量化基礎(chǔ)上保證卷筒式伸桿機構(gòu)有效應(yīng)用的一個重要發(fā)展方向；

4)在卷筒式伸桿機構(gòu)的研究與應(yīng)用中,要確?！皦旱镁o、解得開、展得開、控得住、保得住”原則,要在卷筒式伸桿與展開輔助機構(gòu)之間精準匹配,須逐漸提高產(chǎn)品與輔助機構(gòu)的精度要求,因此,高精度要求要貫穿在卷筒式伸桿機構(gòu)研究與應(yīng)用始終。

為了使卷筒式伸桿機構(gòu)在航天探測領(lǐng)域高精度應(yīng)用,還需攻克以下幾方面關(guān)鍵技術(shù)：

1)在卷筒式伸桿機構(gòu)采用的結(jié)構(gòu)材料方面,目前已有不銹鋼、鈹青銅和Elgiloy合金。需改進現(xiàn)有材料的成形性能,保證材料對不同成形工藝的適用性,另外需開發(fā)新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,促進輕量化的同時提高伸桿展開精度。

2)開發(fā)新成形工藝,進一步提高卷筒式伸桿各卷層的抱緊程度,提高展開狀態(tài)彎曲剛度,有效控制較長伸桿構(gòu)型錐度大小,以滿足更高精度要求。

3)增加卷筒式伸桿機構(gòu)性能測試指標,力求更加全面地對卷筒式伸桿機構(gòu)的應(yīng)用過程進行掌控,須對航天器力學環(huán)境進行更加細致地分析,采用先進的理論,建立高精度有限元模型與修正技術(shù),設(shè)計出精確的服役力學環(huán)境條件,反饋指導卷筒式伸桿機構(gòu)的研究與應(yīng)用過程。

5 結(jié)束語

基于卷筒式伸桿機構(gòu)的研究與應(yīng)用進展分析,指出了卷筒式伸桿機構(gòu)小型化、輕量化、大收納比和高精度的發(fā)展趨勢,提出了為實現(xiàn)卷筒式伸桿機構(gòu)高精度應(yīng)用還需進一步攻克的關(guān)鍵技術(shù),可為卷筒式伸桿機構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。