高低温环境对弹簧分离装置输出性能影响的试验研究

吴 昊，王金童

(上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

嫦娥五号任务是我国探月工程“绕、落、回”三步走的最后一步，将实现月面软着陆和自动采样返回。嫦娥五号是目前国内最复杂的航天探测器，任务中许多高难度环节都是首次实施。

嫦娥五号探测器中着陆上升组合体与轨道器的分离、轨道器支撑舱与推进仪器舱的分离以及轨道器对接舱与推进仪器舱的分离均是由弹簧分离装置(弹簧推杆)输出分离能量。根据任务需求，弹簧分离装置将经历3个月-80 ℃～90 ℃的深空热环境；由于轨道器一侧朝阳，一侧背阴，分离面同组弹簧分离装置工作时所处的温度存在差异[1]。因此弹簧分离装置温度敏感性研究，即研究高低温环境对弹簧分离装置输出性能的影响是精确控制分离体的分离速度和分离姿态，实现高可靠分离的必要工作，对保证嫦娥五号任务成功至关重要，对其他型号弹簧分离装置的设计也有一定的指导作用和借鉴意义。

本文主要采用试验的方法，研究弹簧输出性能随温度的变化规律及高低温长期贮存对弹簧输出性能的影响。

1 弹簧输出性能随温度的变化规律

弹簧是弹簧分离装置中的供能元件，当弹簧分离装置结构设计确定后，压弹簧的工作压缩量和安装压缩量便已确定，且不会受温度影响。

从弹簧的力—位移曲线图(见图1)可知，弹簧输能量为阴影部分面积[2]：

Es=(F2P′+F1P′)×(F2-F1)×0.5=0.5(F22-F12)P′

式中：P′为弹簧刚度；F2为弹簧工作压缩量；F1为弹簧安装压缩量。

图1 弹簧力—位移曲线图

研究弹簧输出性能随温度的变化规律即探索弹簧刚度P′随温度的变化规律。

1.1 试验方法

(2)选取5个测试温度点：-95、-40、20、50、105 ℃；

(3)选取5个不同的压缩量：1、18、36、54、71.1 mm；

(4)在每个测试温度点测试弹簧在上述5个压缩量下的弹簧力值：测试前，保温时间2 h；测试时，试验件处于保温箱内；试验件测试状态如图2所示，测试设备精度为±1 N；

图2 试验件测试状态

(5)为减小误差，每个压缩量均进行三次进程测试和三次回程测试，最终的弹簧力值取六个测试值的平均值；

1.2 试验结果

表1 不同温度下的弹簧刚度测试值 N/mm

图3 4个弹簧分离装置试验件的曲线

1.3 试验结果分析及验证

弹簧刚度计算公式[3]：

(1)

式中：P为弹簧力,N；F为弹簧压缩量，mm；G为弹簧材料切变模量,MPa；d为弹簧丝径,mm；D为弹簧中径,mm；n为有效圈数。

(2)

即

GT1a-GT2a=-4×10-3(T1-T2)

(3)

(4)

(5)

已知d=7 mm，D=50 mm，n=14，求得

k=-23 MPa/℃

(6)

在实际应用中，为方便求得GT1，可令T2=0，GT2=71 000 MPa，则

GT1=(71 000-23T1) MPa

(7)

用式(7)计算得到的T1=150、200、250 ℃时的GT1值与标准中的建议值进行对比，如表2所示。两者吻合度极好，表明上式具有较高的工程使用价值。

表2 温度为150、200、250 ℃时GT1公式计算值与

将式(7)代入式(1)，回归到弹簧刚度P′的计算，得出P′随温度T的变化关系为

(8)

2 高低温长期贮存对弹簧输出性能的影响

研究贮存温度对弹簧分离装置输出性能的影响，主要考虑处于工作压缩状态的弹簧长期处于高温或低温环境中，其刚度的变化情况。

2.1 试验方法

(2)使用图4中的压板工装使试验件中的弹簧处于工作压缩状态(即压缩量为工作压缩量F2)；

图4 试验件工作压缩状态示意图

(3)将1#试验件置于105 ℃环境中贮存3个月，2#试验件置于-95 ℃环境中贮存3个月；

2.2 试验结果

表3 高低温贮存前后弹簧刚度变化情况

3 结 论

通过着陆上升组合体弹簧分离装置压缩弹簧在不同温度下的刚度测试试验，得出弹簧刚度随温度的变化关系，进一步推导出不锈钢丝剪切模量G的温变系数及特定温度下剪切模量的计算公式，扩大了应用范围，并验证了其工程实用价值；通过高低温长期贮存后刚度对比试验，证明了高低温长期贮存不会影响弹簧分离装置输出性能。上述试验结果已应用于嫦娥五号探测器分离仿真分析中，对精确控制分离体的分离速度和分离姿态，实现高可靠分离，保证嫦娥五号任务成功起了重要作用，后续将扩展应用到其他型号中。