氣體作動(dòng)裝置在深空探測器的應(yīng)用設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張正峰，王克成，王黎珍，葉 青，于杭健

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

在航天器飛行任務(wù)中，經(jīng)常需要進(jìn)行物體的轉(zhuǎn)移或移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物體轉(zhuǎn)移的方式有多種，常見的主要包括：空間機(jī)械手、伸縮桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、棘齒連桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等空間機(jī)構(gòu)[1-3]。不同的實(shí)現(xiàn)方式在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的約束和保障條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。某深空探測航天器在軌飛行過程中，需要在真空微重力環(huán)境下對(duì)某設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的距離為630 mm，轉(zhuǎn)移過程中需要克服一定的阻力。在型號(hào)研制過程中，由于受空間、質(zhì)量和控制等方面的條件限制，為了有效地利用航天器上推進(jìn)系統(tǒng)所攜帶的高壓氣體[4]，因此設(shè)計(jì)了一種氣體作動(dòng)裝置轉(zhuǎn)移方案，并開展了仿真分析和地面試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

1 氣體作動(dòng)裝置的應(yīng)用設(shè)計(jì)

如圖1所示，氣體作動(dòng)裝置采用推進(jìn)系統(tǒng)的高壓氣體作為動(dòng)力源，通過金屬管路將壓力表、電爆閥、自鎖閥和噴氣組件串聯(lián)在一起，噴氣組件位于被轉(zhuǎn)移設(shè)備的后方，被轉(zhuǎn)移設(shè)備可沿轉(zhuǎn)移導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)至接收容器。電爆閥的作用是在非任務(wù)期間將高壓氣瓶和下游的氣體管路進(jìn)行隔離，在任務(wù)期間由控制器起爆打開，以使氣體得以貫通。自鎖閥的作用是對(duì)氣路的通斷進(jìn)行控制，在軌不工作時(shí)處于閉合狀態(tài)，開啟時(shí)將管路設(shè)為連通狀態(tài)，自鎖閥的打開時(shí)間可由控制器進(jìn)行控制。噴氣組件的作用是將高壓氣體變?yōu)楦咚贇饬鲝亩诒晦D(zhuǎn)移設(shè)備底部形成一定的推力。被轉(zhuǎn)移設(shè)備向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，由兩側(cè)的轉(zhuǎn)移導(dǎo)軌保證不偏離方向，直至完全進(jìn)入接收容器。

圖1 氣體作動(dòng)裝置工作原理圖Fig.1 Working principle of the gas actuator

氣體作動(dòng)裝置在探測器上的安裝形式如圖2所示，高壓氣瓶容積為32 L，內(nèi)部為7～8 MPa的高壓氦氣，電爆管和自鎖閥開啟后的通徑分別為10 mm和4.8 mm，長度為10 mm，金屬管路內(nèi)徑為6 mm，總長度為1.75 m，探測器上的溫度環(huán)境為10℃左右，偏差不大于10℃。噴氣組件包括環(huán)形氣道和2個(gè)噴嘴，環(huán)形氣道的內(nèi)部截面為4 mm×6 mm，噴嘴采用拉法爾噴管形式，噴氣組件與噴嘴的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖2 氣體作動(dòng)裝置安裝示意圖Fig.2 Installation form of the gas actuator

圖3 噴氣組件與噴嘴結(jié)構(gòu)形式示意圖Fig.3 Structure form of the jet unit and the nozzle

設(shè)備在初始啟動(dòng)時(shí)將受到最大不超過30 N的阻力，為保證被轉(zhuǎn)移設(shè)備順利到達(dá)接收容器，氣體作動(dòng)裝置所產(chǎn)生的推力應(yīng)大于30 N，以便能夠克服轉(zhuǎn)移的阻力。針對(duì)此需求，對(duì)氣體作動(dòng)裝置的作用力進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

2 氣體作動(dòng)裝置作用力分析

按照氣體作動(dòng)裝置在探測器上的實(shí)際安裝方式，建立簡化后的氣體管路模型如圖4所示[5-6]。

圖4 簡化后的氣體作動(dòng)裝置氣體管路模型Fig.4 Simplified gas p ipeline model of the gas actuator

對(duì)氣體作動(dòng)裝置作用力的分析，主要包括氣體流動(dòng)過程中的阻力分析和噴氣組件所產(chǎn)生的推力分析兩部分，前者是為了得到氣體到達(dá)噴嘴入口處的壓力，后者是為了得到氣流對(duì)設(shè)備所形成的推力。

（1）氣體管路阻力分析

氣體在流動(dòng)過程中所受的阻力可分為進(jìn)口阻力、出口阻力和管道阻力三種。進(jìn)口阻力是指氣體從氣瓶進(jìn)入管道時(shí)流動(dòng)變化產(chǎn)生的阻力；出口阻力是指氣體從噴嘴進(jìn)入真空無限大空間時(shí)流動(dòng)變化產(chǎn)生的阻力；管道阻力有兩種形式：一是由于氣體本身的黏滯性以及與管壁間的摩擦所產(chǎn)生的阻力，稱為摩擦阻力hf；另一種是氣體流經(jīng)各閥門管件時(shí)，由于管件截面的大小和方向發(fā)生變化局部渦流所引起的阻力，稱為局部阻力hj。

1）摩擦阻力分析

根據(jù)流體力學(xué)原理[7]，假設(shè)氣體在圓形管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)截面無變化，則摩擦阻力hf可以表示為：

式中：l為管道長度；d為直徑；ρ和u分別為氣體的密度和速度；λ為摩擦阻力系數(shù)，與氣體的流動(dòng)狀態(tài)和壁面粗糙度有關(guān)。如果Re≤2 500，可認(rèn)為是層流，λ由Hagen-Poiseuille方程確定：

如果Re＞2 500，可認(rèn)為是湍流，對(duì)于光滑壁面，λ由Blasius方程決定：

2）局部阻力分析

局部阻力是指氣體在管道的進(jìn)出口、彎頭、閥門、截面擴(kuò)大或縮小等部位時(shí)受到干擾，發(fā)生流速和方向改變而產(chǎn)生的能量耗散，局部阻力hj可表示為：

式中：ζ為局部阻力系數(shù)，通常由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式得到。

如圖5所示，對(duì)于管路突然縮小的情況：

對(duì)于管路突然擴(kuò)大的情況：

在阻力分析時(shí)，可將進(jìn)口阻力和出口阻力作為特殊的局部阻力。對(duì)于進(jìn)口，可以認(rèn)為由很大的截面A1突然進(jìn)入了很小的截面A2，即A2/A1=0，由公式可得ζ進(jìn)=0.5。對(duì)于出口，可以認(rèn)為由很小的截面A1突然進(jìn)入了無窮大的截面A2，即A1/A2=0，ζ出=1。

圖5 氣體管道縮小和擴(kuò)大示意圖Fig.5 Shrink and expand diagram of the pipeline

3）氣體管路阻力分析

由前面的分析可知，氣體作動(dòng)裝置總的氣體管路阻力H可表示為：

式中：hin為氣瓶進(jìn)口的阻力；hout為噴氣組件出口的阻力；hpyro為電爆管的局部阻力；hla為自鎖閥的局部阻力；hpipe為圓形管道的摩擦阻力；hloop為噴氣組件管道的摩擦阻力。

按照氣體壓力為7 MPa進(jìn)行計(jì)算。為簡化計(jì)算，按照工程方法可先假定氣體在管道內(nèi)的流動(dòng)為無摩擦阻力和局部阻力，遵從伯努利方程，由總壓降?p=7 MPa可得極限流速v1=?P/ρ=9 281.9 m/s，則Re為：

由此可認(rèn)為管道內(nèi)的流動(dòng)為湍流，摩擦系數(shù)λ=

由摩擦系數(shù)可計(jì)算出管道的摩擦阻力系數(shù)，查閱文獻(xiàn)可得到局部阻力系數(shù)[8]，即總的阻力系數(shù)Ctotal=6.351 3，由氣體管路阻力計(jì)算公式：

進(jìn)而可以求得噴嘴處氣體的速度v2=3 698 m/s，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行4次疊代計(jì)算，阻力系數(shù)穩(wěn)定為Ctotal=6.45，速度u收斂為vstable=3 654 m/s，由此可得噴嘴的入口壓力為2.52 MPa。

（2）轉(zhuǎn)移推力計(jì)算

噴氣組件噴出后的氣體作用在被轉(zhuǎn)移設(shè)備的底部，由于兩個(gè)噴嘴對(duì)稱布置，因此先利用流體力學(xué)軟件Fluent建模分析單個(gè)噴嘴的作用力[9-11]。為簡化計(jì)算，在建模時(shí)進(jìn)行了二維化軸對(duì)稱處理，分析噴嘴作用到距離為50 mm、半徑為46.5 mm圓盤上的作用力Fs，計(jì)算網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)移推力計(jì)算網(wǎng)格與邊界條件圖Fig.6 Computation grid and boundary condition of the transfer force

按照噴嘴入口處壓力為2.52 MPa進(jìn)行仿真分析，噴嘴氣流穩(wěn)定后流場的速度分布如圖7所示，氣體對(duì)設(shè)備的作用力系數(shù)Cd收斂為37.62，在此狀態(tài)下噴嘴所產(chǎn)生的作用力Fs為23.04 N。

圖7 噴嘴氣流速度分布圖Fig.7 Velocity distribution map of the nozzle flow

噴氣組件總的作用力為46.08 N，同樣的可以得到不同的氣瓶壓力下的作用力。分析表明，探測器上±10℃的溫度偏差對(duì)氣體作動(dòng)裝置作用力的大小影響在2%以內(nèi)，影響可接受。

3 氣體作動(dòng)裝置作用力試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證氣體作動(dòng)裝置作用力的大小，在真空罐內(nèi)進(jìn)行了測試試驗(yàn)，試驗(yàn)產(chǎn)品包括高壓氣瓶、自鎖閥、電爆閥與噴氣組件，除氣瓶采用40 L的工業(yè)氣瓶外，其余產(chǎn)品狀態(tài)與探測器上產(chǎn)品保持一致，推力測試試驗(yàn)狀態(tài)如圖8所示。

圖8 氣體作動(dòng)裝置推力測試試驗(yàn)狀態(tài)圖Fig.8 Status of the transfer force test of the gas actuator

試驗(yàn)過程中，設(shè)置噴氣組件出口與電子秤的距離為50 mm，通過調(diào)整氣瓶壓力得到了不同壓力下的推力數(shù)據(jù)如表1所列?？梢钥闯?，氣體作動(dòng)裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果誤差最大為7.4%，一致性較好，在氣瓶壓力超過5 MPa的情況下，可以產(chǎn)生30 N以上的推力，能夠?qū)崿F(xiàn)物體的轉(zhuǎn)移，滿足任務(wù)需要。

表1 推力計(jì)算數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)對(duì)比表Tab.1 Calculated data and experiment data of the transfer force

4 結(jié)論

針對(duì)深空探測器在軌飛行任務(wù)中的物體轉(zhuǎn)移問題，提出了一種利用探測器高壓氣瓶內(nèi)的氣體產(chǎn)生推力的氣體作動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方案。按照流體力學(xué)公式完成了氣體管路的阻力分析與噴嘴的入口壓力分析，通過仿真分析得到了噴氣組件對(duì)被轉(zhuǎn)移物體的推力。并開展了真空罐內(nèi)的推力測試試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果一致性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)物體的轉(zhuǎn)移，滿足在軌任務(wù)需要。提出的氣體作動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方案可以為空間轉(zhuǎn)移類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供參考。