二維展開太陽翼地面展開試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

任守志 商紅軍 賈文文 管帥 鄭樹杰 姚迪 王寧

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

一維展開太陽翼展開過程中各電池板的質(zhì)心均在同一個(gè)平面內(nèi)，通過吊掛點(diǎn)始終在水平面內(nèi)的地面展開試驗(yàn)裝置完成地面展開試驗(yàn)，這種方式簡單、可靠，廣泛應(yīng)用于一維展開太陽翼[1-3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，高分辨率遙感衛(wèi)星對太陽翼展開剛度要求越來越高，一維展開太陽翼已無法滿足其要求，大型通信衛(wèi)星對功率需求也越來越高，因此出現(xiàn)了二維展開太陽翼，這種太陽翼展開后慣量小，在同等質(zhì)量的情況下具有更高的展開基頻，但二維展開太陽翼展開過程中電池板的質(zhì)心位置在水平面內(nèi)和豎直面內(nèi)均有運(yùn)動，這給二維展開太陽翼地面展開試驗(yàn)時(shí)的重力卸載提出了較大的挑戰(zhàn)[4-6]。

國外較早開展了二維展開太陽翼的研制，在遙感衛(wèi)星領(lǐng)域快鳥-2(Quickbird-2)，世界觀測(WorldView)衛(wèi)星均采用了3塊電池板并聯(lián)構(gòu)型的二維展開太陽翼；在通信衛(wèi)星領(lǐng)域，泰雷茲-阿萊尼亞公司為SpaceBus衛(wèi)星新平臺研制的太陽能平臺(SolarBus)[7]，波音公司研制的BSS 702平臺均采用了二維二次展開太陽翼，單翼最多可配置10塊電池板[8]，但這些太陽翼的地面展開試驗(yàn)裝置均未見報(bào)道。

我國上海實(shí)達(dá)實(shí)業(yè)公司針對某二維展開太陽翼提出了地面展開試驗(yàn)裝置的專利[9]，專利所述裝置在每個(gè)電池板上施加配重用于平衡太陽翼重力，且使用數(shù)量較多的導(dǎo)軌用于引導(dǎo)太陽翼的展開，方案相對復(fù)雜，為簡化太陽翼地面展開重力卸載，本文設(shè)計(jì)了一種適用于二維展開太陽翼的地面展開試驗(yàn)裝置，并對其在某二維太陽翼上的使用情況進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

1 某二維展開太陽翼簡介

某高分辨率遙感衛(wèi)星采用了二維展開太陽翼方案，此太陽翼包括3塊電池板，中心板與2塊側(cè)板外形尺寸相同，均為2200 mm×1200 mm，如圖1所示[10]。

圖1 某二維展開太陽翼組成(展開狀態(tài))

二維展開太陽翼的展開過程分兩步：首先，壓緊釋放裝置釋放對太陽翼的約束，與中心板相連的根部鉸鏈驅(qū)動3塊電池板一次展開，在此過程中，3塊電池板通過側(cè)板釋放裝置連接在一起；其次，當(dāng)根部鉸鏈即將展開到位時(shí)，根部鉸鏈觸發(fā)側(cè)板釋放裝置解鎖，二次展開開始，上、下側(cè)板在側(cè)板鉸鏈的驅(qū)動下分別展開180°并鎖定。太陽翼在軌展開過程如圖2所示。

圖2 某二維太陽翼在星體上的展開過程示意圖

由圖2(f)可知，太陽翼兩次展開過程中中心板的質(zhì)心在平面內(nèi)，但上、下側(cè)板的質(zhì)心既有水平面內(nèi)運(yùn)動，也有豎直面內(nèi)的運(yùn)動，這給二維太陽翼的地面展開過程中的重力卸載造成了較大的困難。

2 二維太陽翼地面展開試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)二維太陽翼地面展開過程中的重力卸載，本文設(shè)計(jì)了一種二維太陽翼重力卸載裝置，它原理簡單，使用方便，且可以實(shí)現(xiàn)二維太陽翼在地面展開過程中各電池板的重力卸載。

2.1 設(shè)計(jì)原則

二維太陽翼地面展開試驗(yàn)時(shí)，地面試驗(yàn)裝置需要盡量實(shí)現(xiàn)太陽翼各部件在任意位置的重力卸載，能夠使太陽翼各部件在零重力/零重力矩環(huán)境下的運(yùn)動，不能引入主動力，盡量減小地面設(shè)備對太陽翼展開過程的影響[11]。

2.2 二維太陽翼展開過程中主要構(gòu)型變化

由圖2(a)～(c)可知，太陽翼在一次展開過程中3塊電池板收攏疊合在一起，整體質(zhì)心僅在水平面內(nèi)變化，且整體繞根鉸轉(zhuǎn)軸作定軸轉(zhuǎn)動，因此太陽翼一次展開過程中通過繩索連接繞定軸轉(zhuǎn)動的桿件實(shí)現(xiàn)3塊板整體的重力卸載；太陽翼二次展開過程上、下側(cè)板分別向上和向下運(yùn)動，兩者質(zhì)心均不在水平面內(nèi)運(yùn)動，運(yùn)動軌跡為繞側(cè)板鉸鏈軸線的圓弧運(yùn)動，上、下側(cè)板展開過程軌跡如圖3所示。

圖3 二維太陽翼上、下側(cè)板二次展開軌跡外輪廓

側(cè)板鉸鏈分別與上、下側(cè)板和中心板相連，側(cè)板鉸鏈轉(zhuǎn)軸與各電池板之間相對位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 二維太陽翼上、下側(cè)板二次展開前后位置及側(cè)板鉸鏈轉(zhuǎn)軸位置

2.3 展開試驗(yàn)裝置組成

由圖3可知，太陽翼上、下側(cè)板展開軌跡均為圓弧，而且上、下側(cè)板外形尺寸完全相同，質(zhì)量也相同，上側(cè)板向上翻轉(zhuǎn)，下側(cè)板向下翻轉(zhuǎn)，因此設(shè)計(jì)了一種通過上、下側(cè)板質(zhì)量互相平衡的裝置實(shí)現(xiàn)太陽翼的地面展開[12]，如圖5所示。

圖5 太陽翼重力卸載裝置與太陽翼的連接關(guān)系

此太陽翼重力卸載裝置包括固定架、轉(zhuǎn)動臂、吊架、翻轉(zhuǎn)梁、吊掛繩、繩索長度補(bǔ)償塊。固定架為放置在地面上的剛性構(gòu)架，轉(zhuǎn)動臂通過轉(zhuǎn)軸與固定架相連且可繞固定架上的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，在太陽翼一次展開過程中承受三塊電池板以及吊架、翻轉(zhuǎn)梁等部件的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)太陽翼各部件在水平面運(yùn)動時(shí)的重力卸載。吊架與轉(zhuǎn)動臂的外側(cè)相連，翻轉(zhuǎn)梁與吊架下端通過轉(zhuǎn)軸連接，上、下側(cè)板吊掛繩索一端分別與翻轉(zhuǎn)梁上下端部連接，另一端與上、下側(cè)板的側(cè)邊固連的繩索長度補(bǔ)償塊相連；中心板吊掛繩索一端與中心板相連，另一端與翻轉(zhuǎn)梁轉(zhuǎn)軸連接。

由于上、下側(cè)板展開前后位置在豎直方向并不在一個(gè)面內(nèi)，因此需要通過繩索長度補(bǔ)償塊實(shí)現(xiàn)其重力卸載，所設(shè)計(jì)的上、下側(cè)板二維展開重力卸載工裝與各電池板的連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 二維太陽翼上、下側(cè)板重力卸載原理

為實(shí)現(xiàn)上、下側(cè)板在展開前后繩索中張力保持不變，上、下側(cè)板繩索長度補(bǔ)償塊的長度應(yīng)保證上、下側(cè)板展開前后，上、下側(cè)板吊繩在與上、下側(cè)板垂直的豎直面上的投影重合。翻轉(zhuǎn)梁上、下側(cè)板連接點(diǎn)與翻轉(zhuǎn)梁轉(zhuǎn)軸之間的長度為R，如圖5所示，其長度應(yīng)滿足

(1)

式中：H為上、下側(cè)板在展開前后吊掛點(diǎn)在豎直方向上的位移，D為繩索長度補(bǔ)償塊與繩索兩接觸點(diǎn)的寬度；L是側(cè)板吊掛繩索與中心板吊掛繩索在與板面垂直的面上投影線的距離。

在實(shí)際使用時(shí),上、下側(cè)板吊繩、中心板吊繩中均設(shè)置預(yù)緊力，其中上側(cè)板吊繩、下側(cè)板吊繩的預(yù)緊力的大小分別等于上側(cè)板、下側(cè)板重力的一半，中心板吊繩中的預(yù)緊力等于上、下側(cè)板重力之和的一半與中心板的重力以及上、下側(cè)板鉸鏈的重力之和，此設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)上、下側(cè)板在展開過程中的重力矩平衡。

3 重力卸載裝置使用過程動力學(xué)分析

為驗(yàn)證二維太陽翼地面展開試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的合理性，需要建立二維太陽翼和地面展開試驗(yàn)裝置的地面動力學(xué)聯(lián)合分析模型，獲取太陽翼展開過程中各電池板重力卸載情況，從而分析此地面展開試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的有效性。

3.1 動力學(xué)模型

用NASTRAN有限元軟件計(jì)算了中心板和上、下側(cè)板正交化的固定界面模態(tài)(Craig-Bampton)，并把其柔性體信息導(dǎo)入ADAMS軟件中，然后建立了各部件的連接關(guān)系，并根據(jù)鉸鏈實(shí)測驅(qū)動參數(shù)建立了太陽翼的展開動力學(xué)模型以及第2節(jié)介紹的二維太陽翼地面展開試驗(yàn)裝置的模型，并根據(jù)試驗(yàn)裝置的實(shí)際質(zhì)量及彈簧剛度等數(shù)據(jù)設(shè)置模型相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，由于在地面展開，模型中還考慮了運(yùn)動部件摩擦力、空氣阻力等影響因素[2]。

太陽翼在展開試驗(yàn)裝置上的動力學(xué)模型如圖7所示，模型中電池板為柔性體，轉(zhuǎn)動臂、翻轉(zhuǎn)梁、吊架、長度補(bǔ)償塊等都為剛性體，翻轉(zhuǎn)梁與電池板之間用彈簧元連接，彈簧根據(jù)所連接電池板質(zhì)量設(shè)置預(yù)緊力。其中彈簧剛度為2 N/mm，各繩索中的初始吊掛力見表1。

表1 各電池板吊掛繩索中的力

圖7 二維展開太陽翼地面展開試驗(yàn)動力學(xué)模型

為減少工裝在使用過程中的變形，對各工裝進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，各工裝的實(shí)際測量的質(zhì)量見表2，模型中根據(jù)工裝實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行設(shè)置。

表2 模型中與太陽翼相連的工裝重量

3.2 動力學(xué)分析結(jié)果

對建立的動力學(xué)模型進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)束時(shí)間從初始到上、下側(cè)板均鎖定結(jié)束后再仿真24 s，在此時(shí)間段內(nèi)觀察上、下側(cè)板繩索中張力的變化規(guī)律，以驗(yàn)證展開試驗(yàn)裝置對上、下側(cè)板重力卸載的效果。太陽翼在地面展開試驗(yàn)裝置上展開仿真過程如圖8所示。

圖8 太陽翼地面展開過程仿真

根部鉸鏈在太陽翼展開鎖定過程中鎖定沖擊力矩如圖9所示。

圖9 太陽翼展開過程中根部鉸鏈鎖定沖擊力矩曲線

由圖9可知，太陽翼在一次展開鎖定時(shí)間為17.0 s，二次展開鎖定時(shí)間為26.6 s，且與實(shí)際產(chǎn)品地面展開試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。中心板、上側(cè)板、下側(cè)板吊掛繩索中的張力分別如圖10、圖11和圖12所示。

圖10 中心板吊掛繩索中張力

圖11 下側(cè)板吊掛繩索中張力

圖12 上側(cè)板吊掛繩索中張力

由圖9～12可知，在根部鉸鏈鎖定前，即17.0 s之前，吊掛繩索中的張力保持穩(wěn)定，中心板張力保持在230.4 N，上、下側(cè)板中繩索張力均保持在47.4 N。在根部鉸鏈鎖定時(shí)，由于翻轉(zhuǎn)梁和轉(zhuǎn)動臂、吊架處于運(yùn)動狀態(tài)，且存在較大的慣性，而與上、下側(cè)板相連的中心板在根部鉸鏈轉(zhuǎn)動方向上被限制，導(dǎo)致與上、下側(cè)板和翻轉(zhuǎn)梁相連的繩索張力在短時(shí)間內(nèi)變化較大，但很快恢復(fù)，在上、下側(cè)板上下翻轉(zhuǎn)過程中(見圖8(c))，由于翻轉(zhuǎn)梁、轉(zhuǎn)動臂慣性的存在，繩索在中間展開過程中張力略有變化，下側(cè)板變化范圍為45.6～47.9 N，上側(cè)板變化范圍為44.0～45.9 N，最大變化量僅為3.4 N，變化量約7%，而中心板繩索張力最大變化量約為5 N，變化量僅2.1%。

當(dāng)上、下側(cè)板鉸鏈鎖定前后，由于側(cè)板展開速度的增加以及翻轉(zhuǎn)梁慣性的影響，導(dǎo)致繩索中張力變化很大，上側(cè)板和下側(cè)板繩索中張力變化范圍分別達(dá)到33～73 N和41～56 N，而太陽翼展開穩(wěn)定后，上、下側(cè)板繩索中張力穩(wěn)定在46.5 N和47.8 N，與初始預(yù)緊力47.4 N的張力十分接近，最大變化量不超過2%，中心板吊掛繩索張力最終穩(wěn)定在230.7 N，與初始230.4 N基本相同，說明本二維太陽翼展開試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)中心板及上、下側(cè)板的重力卸載。

4 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

某二維太陽翼使用了本文設(shè)計(jì)的地面展開試驗(yàn)裝置，如圖13所示，太陽翼地面展開過程正常，太陽翼4次地面展開時(shí)間在25.56～28.6 s之間，太陽翼在展開裝置上的展開過程如圖14所示[10]，太陽翼地面展開運(yùn)動平穩(wěn)，所有鉸鏈均鎖定良好，驗(yàn)證了二維太陽翼展開試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的正確性及工作性能，試驗(yàn)前后吊掛繩索中的張力見表3，太陽翼展開后繩索張力與展開前基本一致，最大變化量不超過1 N，說明了此二維太陽翼地面展開試驗(yàn)裝置可有效實(shí)現(xiàn)其地面二維展開過程中的重力卸載。

表3 太陽翼地面展開試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于二維展開太陽翼地面展開試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了動力學(xué)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，可得到以下結(jié)論。

(1)本文所設(shè)計(jì)的二維展開試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以連續(xù)實(shí)現(xiàn)二維太陽翼各部件在一次和二次展開過程中水平面內(nèi)和豎直面內(nèi)的重力卸載，無需中間更換工裝。

(2)建立了太陽翼和地面展開試驗(yàn)工裝的展開動力學(xué)模型，考慮了工裝質(zhì)量、摩擦阻力以及空間阻力的影響，分析得到除太陽翼一次和二次鎖定前后瞬間外，其余展開過程中吊掛繩索張力最大變化量僅為7%，展開結(jié)束后，各電池板吊掛繩索的張力變化最大不超過2%。

(3)由某二維太陽翼在本試驗(yàn)裝置上展開前后試驗(yàn)結(jié)果可知，太陽翼各電池板吊掛繩索中的張力變化最大僅1 N，變化量僅2.1%，與分析結(jié)果一致，說明本二維太陽翼地面展開試驗(yàn)裝置可有效實(shí)現(xiàn)太陽翼在地面展開前后的重力卸載。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，越來越多的空間機(jī)構(gòu)具有二維甚至多維展開功能，對地面展開試驗(yàn)也提出了較高的挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)的太陽翼地面展開試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)方式簡單可靠，可為這些展開機(jī)構(gòu)的地面展開驗(yàn)證提供必要的技術(shù)參考。