[科普中國]-能量可調(diào)式小型化星箭彈簧分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究

　　彈簧分離裝置是星箭分離系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響星箭分離速度、分離姿態(tài)、分離安全性。針對2015年用長征－6火箭的“一箭二十星”發(fā)射小型化、輕量化和分離姿態(tài)可控的要求，我們提出了一種工作輸出能量可調(diào)式小型化星箭彈簧分離裝置，相比于常規(guī)彈簧分離裝置，其質(zhì)量減輕30％以上，高度降低40％以上，安裝空間節(jié)省50％以上。針對衛(wèi)星質(zhì)心偏移問題，通過調(diào)節(jié)彈簧行程，可有效調(diào)節(jié)衛(wèi)星分離姿態(tài)。

　　1 引言

　　隨著航天型號產(chǎn)品日益增多，小型化、輕型化的衛(wèi)星平臺(tái)是未來發(fā)展的一大趨勢，此類衛(wèi)星多以“一箭多星”形式發(fā)射，尤其是長征－6火箭“一箭二十星”發(fā)射，衛(wèi)星在火箭上的安裝形式多樣，對星箭分離裝置提出更高的要求，尤其對分離裝置質(zhì)量、高度、安裝操作空間以及衛(wèi)星分離姿態(tài)要求更高。

　　目前星箭分離裝置主要有兩種形式，即彈簧分離裝置和火工分離裝置?；鸸し蛛x裝置主要應(yīng)用于大、中型衛(wèi)星的分離，彈簧分離裝置具有性能穩(wěn)定、易于地面檢測控制、工作時(shí)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于中、小型衛(wèi)星分離。傳統(tǒng)彈簧分離裝置由壓縮彈簧、彈簧殼、活塞、工藝螺桿和蓋組成，安裝在適配器上端腹板上，使活塞在壓縮彈簧的作用下頂在衛(wèi)星底板上。當(dāng)星箭解鎖時(shí)，活塞頂桿通過壓縮彈簧貯存的勢能推動(dòng)衛(wèi)星分離，衛(wèi)星獲得相對的分離速度實(shí)現(xiàn)星箭分離。

　　傳統(tǒng)的彈簧分離裝置質(zhì)量大、尺寸大，安裝調(diào)試操作空間大，安裝調(diào)試不便，難以滿足小型化、輕量化的應(yīng)用需求。

　　衛(wèi)星受自身輕量化限制，需要在較短的時(shí)間內(nèi)完成姿態(tài)矯正，“一箭多星”發(fā)射技術(shù)日趨成熟，為了保證多顆衛(wèi)星分離彼此不發(fā)生碰撞，需要嚴(yán)格控制衛(wèi)星分離姿態(tài)。傳統(tǒng)的彈簧分離裝置通過控制導(dǎo)向段配合精度、選配彈簧推力等措施控制衛(wèi)星分離姿態(tài)。導(dǎo)向段配合尺寸間隙不宜過小，間隙過小容易出現(xiàn)摩擦力過大影響彈簧效率，甚至出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象，導(dǎo)致星箭分離失敗。彈簧選配需要生產(chǎn)大批量的產(chǎn)品，實(shí)測推力值，根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量特性情況開展選配工作，耗費(fèi)大量人力、物力。甚至出現(xiàn)衛(wèi)星質(zhì)心位置實(shí)測結(jié)果偏離過大，彈簧選配無法滿足設(shè)計(jì)要求，影響型號研制進(jìn)度的情況。

　　本文提出一種工作行程可調(diào)節(jié)、輕量化、小型化彈簧分離裝置。

　　2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　對傳統(tǒng)的彈簧分離裝置高度方向進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)彈簧分離裝置導(dǎo)向段-工作行程-負(fù)載高度呈串聯(lián)排布。將這幾個(gè)尺寸實(shí)現(xiàn)并聯(lián)排布將大大降低高度，提出將活塞反裝，做成頂帽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)向段-工作行程與負(fù)載高度實(shí)現(xiàn)并聯(lián)排布。彈簧的導(dǎo)向形式由外導(dǎo)向薄壁圓筒結(jié)構(gòu)更改為內(nèi)導(dǎo)向筒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向筒上半部分開導(dǎo)向孔，與活塞拉桿配合作為分離裝置的導(dǎo)向段。

　　控制衛(wèi)星姿態(tài)措施主要有控制彈簧推力偏斜量、控制彈簧的釋放能量。彈簧推力偏斜量通過控制導(dǎo)向段配合間隙實(shí)現(xiàn)，受加材料性能和工工藝水平限制，導(dǎo)向段間隙過小影響整個(gè)裝置的性能和功能。影響彈簧釋放能量的因素主要有兩個(gè)：彈簧剛度、工作行程，其中彈簧生產(chǎn)制造完成后，彈簧剛度是定值，彈簧行程可調(diào)成為不二之選。

　　活塞拉桿延伸到導(dǎo)向筒下端挖空段，底端設(shè)計(jì)成螺柱安裝自鎖螺母。自鎖螺母上端面和導(dǎo)向筒導(dǎo)向段下端面距離為壓縮彈簧可運(yùn)動(dòng)區(qū)間，即為分離裝置的工作行程。自鎖螺母上下均預(yù)留調(diào)節(jié)量，根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)測質(zhì)量特性可調(diào)節(jié)自鎖螺母的安裝位置，實(shí)現(xiàn)彈簧分離裝置工作行程可調(diào)節(jié)，使彈簧行程和衛(wèi)星質(zhì)量特性匹配，有效控制衛(wèi)星分離姿態(tài)。在彈簧分離裝置底端配備鎖緊螺母，實(shí)現(xiàn)對非工作狀態(tài)彈簧分離裝置的鎖定。綜上所述，可調(diào)試型彈簧分離裝置由彈簧支座、導(dǎo)向筒、活塞、壓縮彈簧、螺母以及收緊螺母組成。

　　可調(diào)式彈簧分離裝置

　　該設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)了彈簧分離裝置輕量化、小型化，以某星彈簧分離裝置為例進(jìn)行對比分析，在彈簧性能參數(shù)完全一致的情況下裝置高度由126mm降低到64mm，安裝操作空間高度由162mm降低到69mm，分別降低了49.2%、57.4%；質(zhì)量由255g降低為156g，降低了38.8％。

　　空間包絡(luò)對比情況

　　3 工作原理

　　可調(diào)式彈簧分離裝置工作原理：壓縮彈簧套在導(dǎo)向筒上，活塞拉桿穿過導(dǎo)向筒中間導(dǎo)向孔，向下壓活塞彈簧被壓縮，儲(chǔ)存能量。衛(wèi)星對接完畢，拆除底端的收緊螺母，活塞在壓縮彈簧的作用下頂在衛(wèi)星底板上，星箭解鎖時(shí)，壓縮彈簧通過活塞推動(dòng)衛(wèi)星分離，彈簧釋放能量，衛(wèi)星獲得相對的分離速度實(shí)現(xiàn)星箭分離。

　　理論上衛(wèi)星分離姿態(tài)平穩(wěn)，各彈簧對衛(wèi)星質(zhì)心合力矩矢量和為零，考慮到彈簧力和衛(wèi)星質(zhì)心存在偏差，無法保證衛(wèi)星上合力矩始終為零。彈簧分離裝置對衛(wèi)星分離姿態(tài)的精確控制以彈簧組對的形式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)心實(shí)測結(jié)果，調(diào)節(jié)彈簧行程，選取子星跡向分離模式，在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（ADAMS）平臺(tái)下對分離過程中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星姿態(tài)的分析和預(yù)測。

　　以某衛(wèi)星為例，采用4套彈簧分離裝置，彈簧行程22mm，均勻分布分布圓直徑為Φ200mm，衛(wèi)星質(zhì)心橫移量（3.1mm，－1.5mm），將1號彈簧行程縮短4mm，將3號彈簧行程縮短2mm，考慮衛(wèi)星質(zhì)心偏差、彈簧行程及推力偏差、彈簧安裝位置偏差等因素。

　　分離速度為0.96m/s，彈簧作用時(shí)間為37～42ms。初始階段，彈簧對衛(wèi)星質(zhì)心的合力矩不為零，推動(dòng)衛(wèi)星加速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)1、3號彈簧分離裝置達(dá)到最大行程后，2、4號彈簧分離裝置仍繼續(xù)工作，從而導(dǎo)致衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)加速度反向迅速增大，分離角速度快速降低，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的平穩(wěn)分離。以繞Y軸為例，衛(wèi)星分離過程中角速度最大為7.75（°）/s，最終調(diào)整為0.55（°）/s。

　　4 試驗(yàn)情況

　　為了驗(yàn)證分離彈簧分離裝置功能、性能以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確性，進(jìn)行了地面模擬驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)包括振動(dòng)、分離試驗(yàn)。

　　首先在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行整個(gè)分離裝置的鑒定級振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)前手動(dòng)解鎖彈簧分離裝置，測量分離裝置的工作行程。振動(dòng)過程中，彈簧分離裝置處于打開狀態(tài)，振動(dòng)試驗(yàn)完成后，直接進(jìn)行分離試驗(yàn)。為降低外界干擾，分離試驗(yàn)采用一分離體固定，另一分離體自由落體的方式，解鎖后被分離體作自由落體運(yùn)動(dòng)。分離過程通過高速攝影測試分離速度和分離姿態(tài)，分離試驗(yàn)過程中架設(shè)4臺(tái)高速攝影，拍攝位置正對星的4個(gè)象限，2臺(tái)高速攝影為一組，通過測量星體的速度差來測試分離體的姿態(tài)。

　　分離試驗(yàn)方案

　　振動(dòng)試驗(yàn)過程彈簧分離裝置未見異?，F(xiàn)象，分離試驗(yàn)后測試彈簧裝置工作行程，和試驗(yàn)前無變化。受火工品分離沖擊的影響，分離時(shí)刻衛(wèi)星體存在振動(dòng)，未能精確測試到衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)曲線。測試到了衛(wèi)星脫離彈簧分離裝置后的分離姿態(tài)，去除重力因素，得到分離速度和分離角速度試驗(yàn)分析結(jié)果和仿真計(jì)算數(shù)據(jù)對比情況。試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果吻合度較好，驗(yàn)證了彈簧分離裝置設(shè)計(jì)的可行性和合理性，其中受設(shè)備測量精度、火工品同步性等因素影響，結(jié)果存在一定偏差。

　　5 結(jié)束語

　　基于“一箭二十星”發(fā)射要求，設(shè)計(jì)一種新型的輸出能量可調(diào)式彈簧分離裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡單、尺寸更小、質(zhì)量更輕、安裝操作簡便、安裝空間小，可調(diào)節(jié)輸出能量，并成功地進(jìn)行了地面模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置設(shè)計(jì)的合理性和正確性，具有廣泛的通用性，已在清華星、哈工大衛(wèi)星上推廣使用。

(來源：上海宇航系統(tǒng)工程研究所 任海遼 唐杰 宋林郁 康士朋 李新寬。原文載于國際太空微信公號，已獲授權(quán)轉(zhuǎn)載）

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