小卫星总装安全性改进典型案例及其启示

何振东 邱增帅 沈群 刘世佳 郭瑞振 张少渤 陈倬

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

小卫星具有低成本、低风险、研制周期短等优点，已广泛应用于通信、气象、导航、科研等领域[1-3]。随着小卫星技术的快速发展与迭代，小卫星在构型布局、平台设备、有效载荷设备上都有很多新技术、新设备和新材料的应用[4-5]。因此，总装过程中复杂性和不确定性随之增加，安全事故发生的概率也呈上升趋势[6-8]。星表突出物防护问题，多余物防控问题，新型产品总装困难、安装一致性差，工具工装迭代慢不能满足总装安全性需求等问题，对小卫星总装、集成与测试(AIT)过程中的产品安全性、过程可控性、总装可靠性都提出新的挑战，原有的安全性措施已无法完全满足小卫星总装过程的安全性需求。

为适应各类小卫星的总装要求，保障卫星在AIT过程中的安全，需要制定安全性保障措施，尤其对于应用新技术、新设备、新材料的小卫星[9-10]。本文从工装工具、工艺流程与操作步骤2个方面对总装安全问题进行研究，分析了小卫星总装过程安全性保障技术问题，并提出了相应的解决措施，可为后续小卫星总装过程中的安全性提升提供参考。

1 安全性改进典型案例分析

在小卫星设计与3维工艺仿真阶段，一部分总装安全性问题无法准确暴露，尤其一些细节性、影响小卫星研制进度与研制质量的总装安全问题无法准确提前识别，往往在小卫星总装实施阶段才能发现。为保障小卫星总装工作顺利进行，迫切需要研究与梳理出总装安全性问题并提出解决思路。根据总装安全性典型问题的属性、特点、解决方向，本文将小卫星安全性改进典型案例分为工装工具类、工艺流程与操作步骤类。

1.1 工装工具研发与升级

在小卫星总装过程中,工装工具的设计水平直接关系着总装操作的便利性、安全性和可靠性。由于现有工具不能满足超薄碳纤维结构板总装安全性要求，铈玻璃镀银二次表面镜(OSR)片保护装置不能满足小卫星产品的安全性需求，因此需要针对碳纤维结构板的总装工具、OSR片保护工装进行研发与升级。

1.1.1 超薄碳纤维结构板总装工具改进

当前，采用超薄碳纤维结构板的小卫星越来越多，这些结构板的定位销为一体化销钉，其工具接口形式为一字螺丝刀接口，并且结构板安装螺钉头部突出结构板。结构板总装时，工具头部易与一体化销钉、紧固件滑脱，工具头部活脱后很难进行控制，磕碰星体及设备的风险加大。目前，超薄碳纤维结构板的安装没有专用工具，都是采用如图1所示的现有工具与一体化销钉接口。工具防滑脱风险控制主要依赖工人操作技能、操作规范性和工作责任心，不确定性较大，因此研制一种专用工具十分必要。本文设计结构板总装工具头限位器，在原有的工具头部增加了防滑脱金属套筒。金属套筒采用不锈钢管材，防滑脱金属套筒内径与紧固件外径相匹配，两者为间隙配合，间隙量一般为0.10～0.25 mm，便于工具与紧固件配合的同时能保证工具头防滑脱；防滑脱金属套筒伸出工具头部尺寸按所拧紧螺钉头部的高度匹配，前者比后者小0.2～0.3 mm，既能保证工具头防滑脱，又能防止限位套筒划伤结构板，如图2所示。另外，套筒表面涂覆硅胶或采用喷砂处理，实现防滑效果，便于使用。

图1 工具接口

图2 改进后的总装工具

通过在普通工具安装结构板总装工具头限位器，超薄碳纤维结构板总装过程中因工具磕碰星体、设备的风险大幅降低。

1.1.2 OSR片保护工装升级

OSR片是小卫星热控分系统散热组件的重要组成部分，其材料为铈玻璃镀银二次表面镜，外力下极易破损，因此在小卫星AIT中OSR片要做好防磕碰措施。当前OSR片防护装置材料为纸泡沫夹层板(见图3)，不能满足小卫星产品的安全性需求。纸泡沫夹层板存在以下不足：纸泡沫夹层板材料不防静电，使用时静电累积放电对星上设备安全造成隐患；3M胶带重复粘贴，胶面污染后，固定方式不可靠，纸泡沫夹层板易脱落，造成防护失效，运输时受到运输冲击环境，纸泡沫夹层板脱落，会造成包装箱内多余物，星体设备容易受到磕碰；小卫星热控实施后，纸泡沫夹层板的安装方式不能满足使用需求，导致OSR片存在安全隐患；3M胶带大量使用，增加小卫星研制成本。

图3 OSR片纸泡沫夹层板防护

研发升级新型OSR片保护装置，需要具备以下特点：材料防静电，使用时不会累积静电放电，避免星上设备存在静电损伤隐患；主要材料密度小，装置整体质量小，使用时小卫星结构板不额外过多承重；具有足够的强度，有外力磕碰时，防护装置能起到减缓撞击；安装方式可靠，能满足运输需求，可全时段安装；可重复使用，成本低。综合选材，防静电瓦楞板满足防静电、密度小、具有足够强度和成本低的要求，其内部为特殊的中空结构，遇到局部撞击时，表层面板可吸收减缓冲击，起到板下ORS片的保护作用，可作为OSR片保护装置主材料。

新型OSR片保护装置(见图4)安装采用螺接方式，在瓦楞板上镶嵌玻璃钢环形垫片，玻璃钢垫片位置与星上预留的螺孔位置匹配，用螺钉将瓦楞板安装在星体上即可；安装螺钉可测力点胶防松，满足运输需求。新型OSR片保护装置安装拆卸不受星上多层隔热组件或其他设备影响，可全时段进行拆装。新型OSR片保护装置的所有材料均可重复使用，在完成某一卫星防护后，可根据需求改造为其他产品的保护装置。装置的主要材料采用红色或蓝色，与小卫星表面颜色形成反差，对现场人员起到提醒作用，可有意识地对OSR片进行保护。

图4 OSR片防静电瓦楞板防护

新型OSR片保护装置具有材料防静电、质量小、强度大、安装方法简单可靠、安装效果美观、可满足运输需求、可全时段安装和材料可回收再利用等优点，使OSR片的磕碰风险大幅降低，产品安全得到保障。新型OSR片保护装置也可用于加热器、热控涂层的保护，应用场合多。

1.2 工艺流程与操作步骤优化

科学合理的工艺是小卫星总装质量的决定因素。多余物防控问题始终贯穿小卫星的整个研制过程，其中，指向隔振机构是小卫星平台的核心设备，其关键部位的多余物防控工艺，更是重中之重。另外，新型设备对总装工艺的要求高，现有总装工艺技术不能满足新型设备安装要求。因此，需要对工艺流程与操作步骤进行优化改进，保证小卫星总装过程可控，结果可靠。

1.2.1 指向隔振机构多余物防控改进

指向隔振机构是“三超”(超敏捷、超稳定、超精度)卫星平台的核心设备，该设备的作动杆与音圈电机主体之间存在1.5 mm间隙，如图5所示。设备工作时，作动杆与音圈电机主体之间会产生轴向位移，设备腔体内缠绕电磁线圈，作动杆与音圈电机主体之间的间隙处无多余物防控措施。设备安装后间隙开口成45°角朝上，在设备上方操作时，胶屑、多层碎屑、细小零件等多余物极易进入设备腔体内部，造成设备安全隐患。

图5 作动杆与音圈电机主体之间的间隙

指向隔振机构的多余物防控形式可分为整体防护或关键部位局部防护。整体密封是为该设备制作并安装防尘罩，将设备整体罩上形成整体封闭状态。由于设备外观不规则，设备装星位置狭小，周边电缆复杂，而且设备电连接器插接等工作时需要打开防尘罩,所以防尘罩安装条件不足、制作困难，安装拆卸困难。为此，可考虑关键位置局部防护。根据设备的工作特性，防护方法要同时满足设备静态和动态防多余物需求；防护材料应为透明，便于观察设备内部状态；防护材料应具有较好的耐疲劳性能，设备长时间工作后，多余物防控装置不失效。

考虑到作动杆的运动特性和多余物防控位置形状，指向隔振机构的多余防控措施应为动密封与静密封结合，设备工作和非工作状态下均能实现关键位置防多余物要求。多余物防护装置的主要材料可使用耐疲劳、透明、防静电的涤纶树脂(PET)膜料，规格可选择宽50 mm、厚0.3～0.2 mm。多余物防护装置制作步骤为：将PET膜料剪成刷子状，用可靠方法将2层刷子相互交错，互补空缺固定在作动杆上。指向隔振机构工作时，多余物防控装置的活动端始终与音圈电机端面接触，防止多余物进入，如图6所示。

图6 动态密封装置

指向隔振机构原有的多余物防控，主要依赖工艺提醒。改进后的多余物防控装置实施流程为：①指向隔振机构第1次装星前，安装多余物防控装置；②力学试验前后对多余物防控装置进行状态检查，应固定牢靠；③热试验前拆除多余物防控装置，防止装置影响设备散热；④热试验后安装多余物防控装置；⑤卫星设置为最终发射状态后拆除多余物防控装置。指向隔振机构的多余物防控装置实施后，设备的多余物防控手段由被动防控变为主动防控，设备的安全得到有力保障。

1.2.2 新型产品安装工艺流程优化

有些小卫星的主有效载荷设备有特殊需求，如安装面间安装新型减振垫，如图7所示。该型减振垫安装压缩量大，有效载荷安装面外形尺寸大，分布有20多个新型减振垫，减振垫压缩同步性要求高，压缩一致性要求高。现有总装技术为单点对称紧固，不能满足新型减振垫安装要求，安装不妥会影响设备的减振效果和安装可靠性。为保证新型减振垫安装后有足够的连接强度，并且具有一致的压缩效果，减振垫同步压紧应为安装的重点控制项。由于压缩量大，正样螺钉不能直接与安装螺孔螺纹配合,减振垫压缩前可先使用比正样螺钉长的工艺螺钉进行预压紧，当压缩量达到一定量时安装正样螺钉。由于有效载荷安装面尺寸大，为保证不同区域的减振垫压缩过程同步，需要在每组减振垫位置分别分配1名总装人员，按口令控制操作一致，保证所有减振垫压缩过程的同步。因此，需制定合理的工艺流程与操作步骤，满足新型产品安装要求。有效载荷安装面如图8所示。

图7 新型隔振垫

图8 有效载荷安装面

根据减振垫的压缩特性，以及压缩同步性要求，在主有效载荷设备安装时，实施装星总装工艺流程改进。①将工艺螺钉分别插入每组减振垫的中心位置，其余减振垫插入正样安装螺钉；②每名总装人员就位于每组隔振垫位置；③对接过程中同步缓慢旋入工艺螺钉；④1名总装人员为指挥，下达操作口令；⑤其他总装人员在指挥下每旋转90°为1个动作单元紧固工艺螺钉，减振垫压缩4 mm时停止操作；⑥手动旋入其余正样螺钉；⑦用正样螺钉更换工艺螺钉；⑧总装人员继续在指挥口令下逐圈拧紧每组减振垫的中心位置螺钉，直到达到要求的拧紧力矩。通过安装工艺流程的优化，大安装面下多隔振垫同步压缩安装问题得到解决，有效载荷设备安装的减振效果达到设计指标，设备安装可靠。

2 对后续总装工作的启示

本文从工装工具研发与升级、工艺流程与操作步骤优化2个方面对上总装安全性问题进行研究，研制了结构板总装工具头限位器、新型OSR片保护装置和指向隔振机构多余物防控装置，提出了大尺寸安装面下的新型隔振垫安装技术。

新研小卫星的部分机构或设备表面涂覆特殊涂层(透波膜料、导电涂层、热控涂层等)，这些涂层易破损、洁净度要求高，机构或设备拆装时，普通工具无限位措施，使用不当，稍有不慎就会损坏或污染涂层。这些特殊涂层的安全性防护可从两方面考虑：①对安装工具进行改造，减少拆装过程中的损伤风险，工具改进时可借鉴本文中工具研发升级的方法；②对特殊涂层设计防护装置，从根本上杜绝损伤风险，防护装置的研究设计思路可借鉴本文中新型OSR片保护装置的设计理念。

一些在研小卫星有效载荷具有多个转动关节，有效载荷机构的末端设有高精度探测器，有效载荷在轨要实施机构转动动作，机构的转动精度需要满足探测器要求，机构的结构件受应力容易变形。因此，在有效载荷总装过程中，机构的旋转关节要注意多余物防控，防止多余物造成机构转动精度降低或机构卡死；有效载荷结构安装时要保证结构的无应力安装，防止应力释放对结构造成损伤变形。旋转关节的外形复杂，组成运动副的2个零件或组件之间存在间隙，其多余防物控措施可借鉴本文中指向隔振机构多余物防控工艺方法。载荷结构的无应力安装工艺方法制定，可借鉴本文中大尺寸安装面下的新型隔振垫安装技术，对每个紧固件的紧固实施同步控制，动态纠偏，直至满足力矩要求。

3 结束语

本文针对小卫星总装中存在的典型安全性问题，制定了专用和通用的安全性保障措施，保证小卫星在AIT过程中安全、可控，提高了小卫星总装可靠性和总装效率，可为解决小卫星总装安全性相关问题提供参考。