新型柔索式杆束结构压紧释放装置

郭一竹，郭宏伟，李 潇，王浩威，刘 冬

(1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室，哈尔滨 150001)

0 引 言

卫星可展开天线、空间机械臂等大型空间机构，其在发射状态时收拢成杆束结构[1]，利用压紧释放装置将杆束结构捆绑后固定在星体侧面[2],入轨后释放杆束结构，机构展开并工作。空间折展机构技术的应用使杆束结构占用较小的空间，但各杆间为运动副连接，杆束运输及发射过程中需要被压紧固定。压紧释放装置压紧杆束时要防止杆束发生变形，同时在杆束薄弱部位提供支撑，压紧释放装置要能够可靠压紧各部件，不对杆束展开、作业及周围部件产生不良影响。

目前，压紧释放装置有爆炸螺栓、记忆合金、热刀等方式。①爆炸螺栓存在冲击大、成本高、有太空垃圾等问题[3-9]；②而形状记忆合金冲击小、可重复使用、无污染，但作动时间长；③热刀与柔索组成的压紧释放装置无污染、冲击小、组合形式灵活。

国外对采用热刀加柔索式杆束压紧释放装置的研究较多：美国Goddard航天飞行中心研发的微波各向异性探测器采用凯夫拉绳和两个热刀组成了太阳帆板压紧释放系统，在展开时使用热刀切断凯夫拉绳从而实现帆板展开；英国克兰菲尔德大学空间研究中心研制的TechDemoSat-1卫星采用凯夫拉包带压紧释放装置，使用作动器剪断凯夫拉绳释放包带；欧空局研发的Large Deployable Antenna(LDA)夹持装置未采用包带形式，而是采用刚性架支撑压紧，其压紧释放装置由火工品作动，释放预加载螺栓以实现机构展开。我国的“实践”、“技术”系列卫星、以及诸多国外卫星等都采用了包带式锁解方式[10-14]。

本文针对空间机械臂、空间可展开天线等空间机构在收拢状态的杆束结构压紧与释放问题，提出了一种基于柔性索捆绑压紧与热刀释放的新型压紧释放装置。建立柔索式压紧释放装置锁紧状态的力学模型，分析静态压紧和考虑惯性载荷情况后绳索预紧力变化情况，提出满足可靠压紧的绳索预紧力设计值。基于质量和刚度等效，设计机械臂杆束结构力学等效件，最后进行正弦与随机振动力学试验。

1 压紧释放装置设计

1.1 杆束结构

如图1所示，机械臂的臂杆或桁架式折展天线机构在收拢状态时，杆件轴线相互平行形成杆束结构。杆的两端通过转动关节连接，杆与杆之间并未完全贴紧，并且杆束的截面形状不规则，这为收拢状态杆束机构的可靠压紧带来了困难。

为了抵抗运载器发射时的冲击振动，设计压紧释放装置时，主要考虑以下因素：①被压紧对象与星体可靠连接，变形程度不影响正常展开及工作；②压紧释放机构动作对航天器其他部件无不良影响。

1.2 压紧释放装置原理

以机械臂压紧为例，本文设计的压紧释放装置通过凯夫拉绳捆绑机械臂杆件，杆件间连接固定支架承受压紧力，释放时通过热刀切断绳索来解除对杆件的约束。压紧释放装置由支撑组件、收绳组件、热刀组件、绳预紧组件4部分组成。

图2 压紧释放装置各部分安装位置Fig.2 Assembly position of each mechanism component

凯夫拉绳绕过外侧支架后两端分别与绳预紧组件和收绳装置连接，旋转绳预紧组件上的螺母可调整凯夫拉绳张紧程度。在臂杆支架间接触面处设计了“V”型突起和凹槽，用于支架相互定位，防止相对运动，提高承载能力。“V”型突起与凹槽不影响臂杆展开运动。释放时，先通电加热热刀组件，凯夫拉绳在局部加热点处受拉破坏，涡卷弹簧利用储存的能量带动卷收轮转动回收凯夫拉绳，从而避让机械臂的运动轨迹，实现压紧释放功能。绳预紧组件主要由预紧接头、预紧螺母、滑轮、滚针轴承、轴与弹性挡圈等组成；热刀组件由热刀和支架组成；卷收装置主要由卷收轮、预紧装置、涡卷弹簧、凯夫拉绳组成；采用双热刀的形式可提高切断可靠性。各组件及装置如图3(a)、(b)、(c)所示。

图3 多杆锁紧与释放机构主要机构Fig.3 Main components of the multi-bar compaction and release mechanism

2 压紧释放装置力学模型

机械臂在发射前通过对绳索施加预紧力将其压紧。发射过程中，由于惯性加速度导致压紧释放机构承受臂杆的惯性载荷，此时压紧释放机构绳索张力、支座相互作用力发生变化达到新的平衡，因此需要在静态和惯性载荷作用下，分别对压紧释放机构进行力学建模与分析。

2.1 静态压紧力建模

绳索拉力值为P，在忽略绳索与支架间摩擦的情况下可以认为绳索各处力大小相同，P10为收绳组件与支架1间绳段张紧力，P13、P31为支架1、3间绳张紧力，P32为支架2、3间绳张紧力，各力满足式(1),受力如图4所示。

|P10|=|P13|=|P31|=|P32|=|P|

(1)

定义支架1、2所受正压力分别为R1、R2，支架间垂直于、平行于接触面的力分别为Fij、Ffij。本文将R2与竖直方向、F12与水平方向夹角暂定为30°，F32竖直向下，分析各杆及支架间的力，受力情况如图5所示。

平面力系以x轴正向为正向，取力矩逆时针方向为正向，平面力与力矩平衡的齐次线性方程组如式(2)。

图4 静载下各支架受力分析图Fig.4 Free-body diagram of the brackets under static load

图5 各杆受力分析图Fig.5 Free-body diagram of the bars

(2)

式(2)中，L2、L3、L5、L9、θ如图4所示，L2为杆2截面圆心到绳外轮廓距离，L3为杆3截面中心到支架1、3接触面距离，L5为杆2截面中心到支架1、2接触面距离，L9为杆3截面中心到支架2、3接触面距离，F12、F23、F13分别为支架1与2、2与3、1与3垂直于接触面方向的压力，R1、R2为支架1、2与底座间正压力，Ff12、Ff13、Ff23分别为支架1对2、1对3、2对3与各接触面平行的作用力。各接触面及柔性绳上的力需满足压紧释放机构中绳预紧力为正；因支架2与底座间平行于接触面分力与垂直于接触面分力比值大于0.15，因此考虑极限情况将各接触面间的摩擦系数取为0.15。式(2)中各变量取值为：θ=11.11°、L2=96、L3=146.38、L5=165.86、L9=111.14，式(2)中各参数计算结果见式(3)所示。

(3)

2.2 考虑惯性载荷力学建模

在机构随运载火箭发射时压紧释放装置可能受任意方向惯性载荷，惯性载荷的范围为10～20 g。根据各空间机构惯性载荷范围，本文暂定该压紧释放装置承受的惯性载荷为20 g，分析其受力情况，如图6所示。

图6 惯性载荷下各支架受力分析图Fig.6 Free-body diagram of the brackets under inertial load

设各根杆的惯性力为(Ii,Ij)=(Icosα,Isinα),|Ii|=I，(i=1,2,3)，与x轴正向夹角为α，设每根杆质量为m，惯性载荷加速度为a，每根杆被两套压紧释放装置的相应支架固定，则每个支架给杆的支持力为杆所受惯性载荷的一半，如式(4)所示。

(4)

通过平面力系力与力矩平衡的齐次线性方程组，计算凯夫拉绳所需最小拉力，如式(5)所示

(5)

式(4)中a=20 g、m=22 kg，其他取值同式(2)，可得式(5)的解如式(6)所示：

sinα[0 -1678.2 -251.74 -5235.3 1008.7

-1919.8 -219.06 -1885.7

-544.36 473.6 -413.31]T

(6)

式(6)中各力为正表明各杆均被有效压紧、未发生分离。当过载为20g时，得P≈13721 N，同时计算过载为10g及12g时总惯性力及最小绳索预紧力，结果如表1所示。

表1 典型过载情况最小绳索预紧力Table 1 Minimum preload of rope under typical overloads

分析各接触力随过载角度α与绳索预紧力P变化情况。如图7(a)～(f)所示，各图中的平面是接触力大小为0的分界面，分界面以下说明接触力小于0，压紧释放装置会分离失效；当绳索预紧力及其他接触力在任意方向为正值表明压紧释放机构稳定、未发生分离；各接触面最大接触力可为各杆及支座进行强度校核提供依据。

图7 各接触力随α及P变化情况Fig.7 Relationship of contact forces with α and P

3 机械臂等效件设计

试验验证是检验压紧释放装置有效性的重要方法。机械臂在收拢状态下的长度仍然较长，直接进行全尺寸的试验难度较大。影响压紧效果的因素主要包括被压紧物体的质量和刚度等特性。研究了以质量和刚度等效为原则的试验件等效方法，通过将关节及臂杆等效为长度较短的实心杆结合质量块的形式，减小试验件的外包络尺寸，从而降低进行试验验证的难度。

根据臂杆的构型，将杆支架间部分等效为简支梁，支架外部分等效为悬臂梁。

3.1 简支梁等效分析

简支梁重力及惯性力等效为局部力F，如图8所示。

图8 等效简支梁Fig.8 Equivalent freely supported beam

(7)

式中:l0为等效前简支梁长度;D1、l1为等效后简支梁直径及长度。等效前后简支梁质量差计算如式(8)所示。

(8)

式中：ρ0、ρ1分别为等效前后材料密度;m0、m1分别为等效前后杆件质量。用质量块补偿杆件质量差Δm。质量块位于杆中部，确定实心块长度l2，由式(9)可计算该实心质量块直径D2。

(9)

简支梁等效后如图9所示。

图9 简支梁等效后示意图Fig.9 Illustration of equivalent freely supported beam

3.2 外臂悬臂梁等效计算

外臂支架以外部分可等效为悬臂梁，如图10所示。

图10 等效悬臂梁Fig.10 Equivalent cantilever

悬臂梁等效前后刚度及质量应保持相同，k2=k3,m2=m3其中k2、m2为外臂悬臂梁等效前刚度、质量，k3、m3为等效后刚度、质量，若刚度及质量相同得式(10)

(10)

式中：D2、d2、l2为等效前的杆外径、内径、长度，D3、l3为等效后实心杆的外径、长度。由式(10)计算得D3和l3，等效后如图11所示。

图11 悬臂梁等效计算结果Fig.11 Equivalent result of the cantilever

建立了等效后的机械臂试验件三维模型，如图12所示。

图12 等效试验件三维模型Fig.12 3D model of the mechanical equivalent test prototype

4 实验研究

研制了压紧释放机构样机以及等效试验件，进行了X、Y、Z三个方向的随机振动试验，频谱设置为5～2000 Hz，时长2 min；进行X、Y、Z三个方向的正弦振动试验，频谱设置为以5 Hz为间隔、从5～100 Hz，时长为2 min，量级图如图14所示。

图13 正弦振动实验Fig.13 Sinusoidal vibration test

图14 正弦振动试验量级图Fig.14 Test magnitude of sinusoidal vibration

通过试验量级图可知，在试验过程中振动输出的量级均在试验要求范围内，满足试验频谱要求，表明实验过程有效。在实验过程中对被压紧的试验件进行了监测，未出现压紧接合面分离。全部实验结束后对压紧释放装置样机进行了状态检查，绳索未发生松弛或断裂，被压紧的试验件之间压紧良好，各支撑部件之间未产生扭转、松动或相对移动，各部件完好、无损坏。实验结果表明压紧释放装置样机通过正弦和随机振动实验，验证了压紧释放方案可行。

5 结 论

1)研制了新型柔性绳索式的杆束压紧释放装置，设计了关键功能部件，建立了压紧释放装置的力学模型，分别对静态预紧与动态惯性载荷的工况进行了计算，分析过载角度和绳索预紧力等设计参数对被压紧结构之间作用力的影响，得到了在几种典型过载状态下的最小绳索预紧力。

2)为降低被压紧杆束的外包络尺寸以便于开展实验研究，设计了基于质量和刚度等效原则的试验件，解决了杆束结构尺寸较长、振动试验难度大的问题。

3)研制的压紧释放装置样机通过了正弦和随机振动试验，表明所提出的柔索式压紧释放装置能够对杆束结构可靠压紧，可为其他多杆结构的压紧与释放研究提供参考。