一種新型充氣式重力梯度桿的研制和在軌展開試驗

曹旭 王偉志 張宏偉 王永濱 江長虹 譚惠豐 衛(wèi)劍征

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）

（2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱 150080）

0 引言

重力梯度穩(wěn)定作為衛(wèi)星被動控制的一種，是利用衛(wèi)星上離地球距離不同部位受到的引力不同而產(chǎn)生的力矩（重力梯度力矩）來進行衛(wèi)星姿軌控的方式。采用這種控制方式的衛(wèi)星質(zhì)量特性需具備頂端具有啞鈴狀物體的長桿，而啞鈴狀的物體則應(yīng)具備一定的質(zhì)量（配重）。重力梯度穩(wěn)定有控制方式簡單、節(jié)約能源、可靠性高等優(yōu)點，在小衛(wèi)星控制中有很高的實用價值[1-2]。

重力梯度穩(wěn)定的關(guān)鍵機構(gòu)就是重力梯度桿，老式的重力梯度桿絕大部分是套筒式的剛性機構(gòu)，直徑逐級遞減[3-4]。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)日趨大型化、復(fù)雜化，但運載火箭運載質(zhì)量和有效載荷的儲存空間是有限的，剛性重力梯度桿的質(zhì)量、尺寸將受到很大限制。圖1為前蘇聯(lián)早期的Nadezhda導(dǎo)航衛(wèi)星，太陽電池陣近突出部分即為該衛(wèi)星機械式重力梯度桿，可以看出其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、伸出長度有限。

而充氣展開結(jié)構(gòu)的擺放和折疊形式較為自由，占用發(fā)射空間較??；當(dāng)其工作時，以充氣方式可控展開，完全展開后利用材料剛化技術(shù)成為輕小型支撐結(jié)構(gòu)。充氣展開結(jié)構(gòu)具有柔性可折疊包裝、儲存容積小、成本低、可在各種軌道上展開并剛化等特點，微流星和碎片的沖擊、漏氣以及其他環(huán)境威脅對充氣結(jié)構(gòu)的影響較小[5-6]。美國、俄羅斯、日本、歐空局等很多國家和組織正在開展相關(guān)研究，其中美國最早于20世紀(jì)60年代試驗了“回聲（Echo）”系列氣球衛(wèi)星[7-8]，1994年5月，美國L’Garde進行的14m充氣天線[9-10]空間試驗則是充氣展開結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的一個重大突破。除此之外，這種機構(gòu)還可用于航天回收系統(tǒng)、充氣式空間站、飛船應(yīng)急逃生系統(tǒng)、月球基地等領(lǐng)域。

圖1 前蘇聯(lián)Nadezhda導(dǎo)航衛(wèi)星Fig. 1 CCCP navigation satellite“Nadezhda”

1 設(shè)計方案

1.1 研制過程簡介

中國“新技術(shù)驗證一號”衛(wèi)星對新型航天器件、設(shè)備、材料、方法等進行在軌試驗驗證，基于衛(wèi)星和空間充氣展開結(jié)構(gòu)的特點，創(chuàng)新地提出了一種新型充氣式衛(wèi)星重力梯度桿的搭載項目，它以充氣伸展臂為主要結(jié)構(gòu)形式既要作為衛(wèi)星重力梯度桿又通過在軌試驗驗證空間充氣展開結(jié)構(gòu)的性能。

充氣式重力梯度桿研制期間，攻克了充氣伸展臂結(jié)構(gòu)的諸多工程難題，如無磁剛化技術(shù)、可控充氣展開技術(shù)、折疊包裝技術(shù)以及地面性能試驗等技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，北京空間機電研究所充分應(yīng)用已有成熟技術(shù)，深入剖析充氣式重力梯度桿的特點，攻克了充氣展開結(jié)構(gòu)產(chǎn)品總體設(shè)計和集成技術(shù)、伸展臂壓緊釋放技術(shù)、小型輕質(zhì)低壓充氣裝置設(shè)計技術(shù)、應(yīng)用小型空間相機的試驗監(jiān)測技術(shù)、空間充氣展開結(jié)構(gòu)地面試驗技術(shù)（模擬無重力和真空環(huán)境展開）等，實現(xiàn)了我國充氣結(jié)構(gòu)首次在軌試驗。

1.2 功能和組成

充氣式重力梯度桿可為微小衛(wèi)星提供重力梯度力矩，主要功能包括：為衛(wèi)星提供重力梯度穩(wěn)定所需的轉(zhuǎn)動慣量；展開前能夠收攏在衛(wèi)星內(nèi)部狹小空間內(nèi)，展開后可形成含端質(zhì)量（配重塊）的細長的重力梯度臂；質(zhì)量和占用空間能夠滿足微小衛(wèi)星的技術(shù)要求。

充氣式重力梯度桿的主要部件包括：剛性結(jié)構(gòu)（含2kg端質(zhì)量塊）、充氣伸展臂結(jié)構(gòu)、充氣裝置、拔銷器、CMOS相機、配電盒。

充氣伸展臂結(jié)構(gòu)主要包括充氣伸展臂、金屬連接件等，是此次搭載試驗的主要組成結(jié)構(gòu)，長度3m，利用充氣裝置對其進行充氣展開，展開后將頂端2kg端質(zhì)量塊帶離衛(wèi)星本體，實現(xiàn)重力梯度穩(wěn)定的功能。

充氣裝置的功能是為伸展臂結(jié)構(gòu)充氣。

拔銷器的功能是在充氣伸展臂展開前（折疊包裝狀態(tài)）對其進行壓緊，拔銷器解鎖后解除對充氣伸展臂結(jié)構(gòu)的約束，繼而實現(xiàn)充氣展開。

CMOS相機用于拍攝充氣伸展臂在軌展開過程，通過圖像數(shù)據(jù)評估重力梯度桿的在軌試驗情況。配電盒對衛(wèi)星提供的電源進行二次分配并轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)指令功能。剛性結(jié)構(gòu)的功能是為上述各裝置提供安裝平臺并承受各種載荷。

1.3 工作程序

充氣式重力梯度桿根據(jù)相應(yīng)指令進行拔銷器解鎖和伸展臂充氣展開。在軌試驗過程中，CMOS相機獲取展開過程以及展開后的圖像并傳回地面。充氣式重力梯度桿展開前后衛(wèi)星的情況如圖2所示。

圖2 充氣式重力梯度桿折疊包裝狀態(tài)和展開狀態(tài)示意Fig. 2 Packing and deploying dtatus of IGGB

1.4 主要性能指標(biāo)

充氣式重力梯度桿的設(shè)計長度（指伸展臂的長度）為3m，攜帶2kg的配重，除此之外還需要滿足剛度、展開直線度、氣密性、磁特性（需盡可能少地采用鐵磁性材料）等要求，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 充氣式重力梯度桿的主要指標(biāo)Tab. 1 Main Performances of IGGB

1.5 充氣伸展臂方案概述

充氣伸展臂是實現(xiàn)衛(wèi)星重力梯度穩(wěn)定的關(guān)鍵部件，也是此次在軌充氣展開試驗的核心構(gòu)件。

充氣伸展臂的主要組成零件包括：內(nèi)膽、外壁、增強條、尼龍搭扣、金屬件等。其長度為3 000mm，在展開后可近似為懸臂梁模型，結(jié)構(gòu)方案選用變直徑薄壁圓柱管，與支座連接的固支3端直徑為60mm，與端質(zhì)量塊連接的展開端的直徑為50mm。伸展臂的主要尺寸如圖3所示。

圖3 充氣伸展臂的主要尺寸Fig. 3 Main dimensions of inflatable boom

外壁為伸展臂提供足夠的剛度，采用層合鋁材料[11]；內(nèi)膽起阻止氣體泄漏的作用，采用聚酰亞胺薄膜（Kapton）；為滿足一定的抗彎剛度和基頻要求，在層合鋁的內(nèi)壁粘接了6條復(fù)合材料增強條，起到剛度增強的作用；為保證伸展臂可控穩(wěn)定展開，在外壁外側(cè)粘接了4條寬度尼龍搭扣。金屬件主要包括上下端法蘭、卡箍等，主要起連接固定的作用。

伸展臂的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 充氣伸展臂管壁截面示意圖Fig. 4 Section of inflatable boom

充氣伸展臂的結(jié)構(gòu)材料主要為柔性材料，增強條使用碳纖維鋪層復(fù)合材料，利用紡織工業(yè)常用的尼龍搭扣來控制展開速度，使用這些材料可以保證伸展臂具有良好的柔性和較輕的質(zhì)量。

充氣伸展臂的外壁為自剛化材料，層合鋁材料由柔軟可延展的鋁箔和Kapton層合而成，依靠充氣時鋁箔拉伸產(chǎn)生屈服硬化可完成材料的剛化，剛化不需要額外的能量，且對其進行充氣展開后，便不再需要氣體進行保壓[12-13]。

充氣伸展臂外壁材料的組成如圖5所示。

圖5 充氣伸展臂外壁材料的組成示意Fig. 5 Materials of inflatable boom

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 折疊包裝技術(shù)

軌道環(huán)境下，重力梯度桿在微壓下即可以膨脹展開，這可大大提高產(chǎn)品的可靠性，降低發(fā)射風(fēng)險。但是如果展開過程得不到控制，充氣展開結(jié)構(gòu)將會對周圍的設(shè)備產(chǎn)生干擾和不可挽回的破壞[14]。

Echo系列氣球衛(wèi)星的展開沒有進行展開控制，它的展開僅僅靠折疊包裝方法來決定。在超過32次發(fā)射任務(wù)中，早期有一些氣球衛(wèi)星在充氣展開過程中失敗了，部分就是因為缺少展開控制造成的。在對包裝方法和充氣程序進行改進后，后續(xù)發(fā)射的任務(wù)都取得了成功。

此外，伸展臂通過配重塊與拔銷器配合固定于剛性結(jié)構(gòu)上，這就對伸展臂折疊包裝后配重塊的位置精度要求很高，伸展臂與拔銷器的配合關(guān)系如圖6所示。

根據(jù)以上要求，充氣式重力梯度桿采用卷曲式折疊包裝方式，經(jīng)過多次折疊，確定了折疊包裝后配重塊的位置，以此確定了拔銷器和剛性結(jié)構(gòu)的形位，并將伸展臂的折疊包裝工藝進行了固化，確保整機總裝時能夠順利裝配。充氣伸展臂的折疊包裝方式如圖7所示。

圖6 充氣伸展臂與拔銷器的配合關(guān)系Fig. 6 Assembling of inflatable boom and piston actuator

圖7 充氣伸展臂折疊包裝方式Fig. 7 The folding pattern of inflatable boom

2.2 試驗技術(shù)

由于針對空間應(yīng)用，充氣式重力梯度桿的充氣展開過程無法直接在地面試驗中驗證，這是因為：1）充氣裝置采用絕壓設(shè)計，且充氣壓力低，約12~35kPa，無法在大氣環(huán)境下將伸展臂充滿；2）伸展臂頂端攜帶了端質(zhì)量，僅靠伸展臂自身剛度在地球重力場內(nèi)無法承載配重塊的重力。

為在地面試驗中驗證充氣展開過程，在研制過程中構(gòu)建了無重力展開吊架進行無重力展開試驗，利用大型真空罐實現(xiàn)伸展臂真空充氣展開。通過無重力展開試驗和真空充氣展開試驗，摸索了充氣式重力梯度桿的性能。

除此之外，在研制過程中還進行了力學(xué)環(huán)境試驗、熱環(huán)境試驗、檢漏試驗、基頻測試、磁通量測量等環(huán)境試驗和測試，結(jié)果表明充氣式重力梯度桿的性能可滿足衛(wèi)星運行環(huán)境要求。

2.2.1 真空充氣展開試驗

利用大型真空試驗設(shè)備，為充氣式重力梯度桿提供真空展開環(huán)境，在地面模擬在軌真空環(huán)境，以驗證充氣裝置和充氣伸展臂的性能。

由于無法在真空罐內(nèi)實現(xiàn)無重力展開，試驗中不攜帶端質(zhì)量塊或采用輕質(zhì)端質(zhì)量塊來代替實際端質(zhì)量。此外試驗過程中還需要在真空罐內(nèi)起爆火工品，因此對試驗的安全性也提出了非常高的要求，實現(xiàn)難度很大。

經(jīng)試驗驗證，充氣式重力梯度桿在真空環(huán)境的展開時間為20~50s，試驗取得了成功。

2.2.2 無重力展開試驗

充氣式重力梯度桿在軌展開的環(huán)境為微重力或無重力環(huán)境，且攜帶有2kg配重，而地面為重力環(huán)境，因此必須開展地面的無重力（消重力）試驗來驗證充氣式重力梯度桿攜帶2kg配重時的展開性能。

試驗的主要原理是通過一套專門設(shè)計的消重力裝置抵消2kg配重，同時該裝置不會影響試驗過程中充氣式重力梯度桿的充氣展開。試驗使用地面充氣裝置模擬在軌充氣裝置的質(zhì)量流量。

試驗驗證了充氣伸展臂展開時不會發(fā)生干涉，測定了充氣伸展臂展開的晃動包絡(luò)和展開直線度。

2.2.3 全序貫試驗

除了上述兩項綜合試驗，還進行了力學(xué)試驗、檢漏試驗、熱試驗在內(nèi)的環(huán)境試驗，按照特定試驗順序經(jīng)歷所有環(huán)境后，充氣式重力梯度桿充氣展開。通過該試驗可模擬充氣式重力梯度桿從發(fā)射至在軌展開的力學(xué)、熱學(xué)、真空和微重力環(huán)境，測定經(jīng)歷各種環(huán)境后充氣裝置的氦氣泄漏率，驗證在真空及微重力環(huán)境下重力梯度桿的工作過程和展開特性。由于各項試驗的順序是確定的，因此將該試驗定名為全序貫試驗。

在全序貫試驗中，充氣式重力梯度桿的真空展開數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 真空展開試驗數(shù)據(jù)Tab. 2 Data of IGGB vacuum deploying experiment

3 在軌展開試驗情況

3.1 在軌展開試驗結(jié)果的評判方法

充氣式重力梯度桿通過在軌圖像數(shù)據(jù)來評判試驗結(jié)果。為第一時間直觀、有效的獲取充氣伸展臂在軌展開的過程和最終狀態(tài)，充氣式重力梯度桿專門配備了1臺小型CMOS監(jiān)視相機，相機安裝于充氣式重力梯度桿底部的箱體內(nèi)，充氣伸展臂展開后可完全處于相機的視場中。

相機加電后即開始拍攝照片，在60s內(nèi)連續(xù)拍攝10張照片，圖像數(shù)據(jù)采用倒序傳輸，即首先傳輸最后一張照片，以便第一時間獲取充氣伸展臂的最終展開情況。CMOS相機的主要技術(shù)指標(biāo)如下表3所示。

表3 CMOS監(jiān)視相機的主要技術(shù)指標(biāo)Tab. 3 Main performances of CMOS camera

3.2 試驗光照條件介紹

光照是本次在軌展開試驗的一個重要條件，只有當(dāng)充氣式重力梯度桿處于光照范圍內(nèi)，才能保證相機順利獲取到充氣伸展臂展開過程的圖像數(shù)據(jù)。在軌展開時，太陽光從充氣式重力梯度桿一側(cè)直射，如圖8所示。雖然梯度桿在相機視場內(nèi)的一側(cè)不能全部被陽光照射到，但是，只要充氣式重力梯度桿側(cè)面有陽光照射，CMOS相機就可以保證陽光照到的部分能夠清晰成像，可據(jù)此判斷在軌試驗的情況。

圖8 在軌展開過程光照示意Fig. 8 Description of beam direction in IGGB deploying process in orbit

3.3 在軌試驗結(jié)果

2013年5月28日晚6點17分，充氣式重力梯度桿進行了在軌展開試驗。按照試驗流程，充氣展開試驗過程中衛(wèi)星不進行姿態(tài)保持和控制。整個試驗時長約1h，其中在軌展開約50s，圖像數(shù)據(jù)下傳約1h。充氣式重力梯度桿完全展開后的照片如圖9所示，根據(jù)圖9及衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的遙測參數(shù)判斷，試驗取得了成功。

圖9 充氣式重力梯度桿在軌展開后的最終狀態(tài)Fig. 9 Deploying status of IGGB in orbit

4 結(jié)束語

空間充氣展開結(jié)構(gòu)具有儲存容積小、發(fā)射成本低、展開及剛化所需能量少等特點，利用空間充氣展開結(jié)構(gòu)技術(shù)，可以以較低的代價構(gòu)建多種功能及結(jié)構(gòu)形式的航天器結(jié)構(gòu)，尤其是體積龐大的結(jié)構(gòu)，如天線、太陽帆板、空間碎片防護結(jié)構(gòu)、空間站艙段、行星居住艙、大型空間桁架結(jié)構(gòu)、太空望遠鏡或相機鏡頭的遮光罩等[15-16]。

本文對“新技術(shù)驗證一號”衛(wèi)星搭載的充氣式重力梯度桿的研制和在軌展開試驗情況進行了介紹，通過展開后的照片可以直觀判斷在軌展開試驗取得了圓滿成功，這是我國充氣展開結(jié)構(gòu)技術(shù)第一次成功的在軌工程應(yīng)用，標(biāo)志著我國充氣展開結(jié)構(gòu)初步具備了工程化能力，直接驗證了空間充氣展開結(jié)構(gòu)及配套裝置（如壓緊施放機構(gòu)、供配電裝置、充氣裝置）等的設(shè)計，為后續(xù)充氣展開結(jié)構(gòu)的其他在軌應(yīng)用奠定了一定技術(shù)基礎(chǔ)。

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[1] 譚維熾, 胡金剛. 航天器系統(tǒng)工程[M]. 北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2009. TAN Weizhi, HU Jingang. Spacecraft System Engineering[M]. Beijing: CHINA Science and Technology Press, 2009 . (in Chinese)

[2] Ernest M, Maramba B S. A Numerical Analysis for Passive Attitude Stabilization Using a Tethered Balloon on a Gravity Gradient Satellite [R]. ADA435263, 2005.

[3] 于登云, 孫京, 馬興瑞. 大型構(gòu)件伸展與鎖（壓）緊釋放技術(shù)[J]. 航天器工程, 2006, 16(1):23-26. YU Dengyun, SUN Jing, MA Xingrui. Deployment and Hold-down and Release Mechanism of Large Space Component[J]. Spacecraft Engineering, 2006, 16(1):23-26. (in Chinese)

[4] 劉永光, 甘立剛. 伸縮可控的桿狀空間伸展機構(gòu)研究[J]. 機械工程師, 2007(1):33-35. LIU Yongguang, GAN Ligang. Design of Controllable Space Deploy-retract Mast[J]. Mechanical Engineer, 2007 (1): 33-35. (in Chinese)

[5] 沈祖煒, 唐明章. 空間結(jié)構(gòu)展開與剛化[J]. 航天返回與遙感, 2005, 26(4):56-64. SHEN Zuwei, TANG Mingzhang. Deployment and Rigidity of Space Structures[J]. Space Recovery and Remote Sensing, 2005, 26(4): 56-64. (in Chinese)

[6] Cadogan, Grahne D, Mikulas M. Inflatable Space Structures - a New Paradigm for Space Structure Design[R]. IAF98-I102, 1998.

[7] Goddard Space Flight Center. Project Ultra-echo Final Report[R]. NASA-CR-91373 68N13105, 1967.

[8] Costa C, Mitch T. Inflatable Structures Technology Development Overview[R]. AIAA 95-3738, 1995.

[9] Thomas M, Williams G. Advances in Large Inflatable Reflectors[R]. NASA 90N19258, 1990.

[10] Freeland R E, Veal G R. Significance of the Inflatable Antenna Experiment technology[R]. AIAA 1998-2104, 1998.

[11] 曹旭, 王偉志. 空間充氣展開結(jié)構(gòu)的材料成型固化技術(shù)綜述[J]. 航天返回與遙感, 2009, 30(4):63-68. CAO Xu, WANG Weizhi. Summary of Rigidization Technologies for Space Inflatable Structures[J]. Spacecraft Recovery and Remote Sensing, 2009, 30(4):63-68. (in Chinese)

[12] Tsunoda, Hiroaki. Deployment Method of Space Inflatable Structures Using Folding Crease Patterns[R]. AIAA 2003-1979, 2003.

[13] Cadogan, David P S. Rigidizable Materials for Use in Gossamer Space Inflatable Structures[R]. AIAA 2001-1417, 2001.

[14] Philley, Thomas L. Development, Fabrication and Ground Test of an Inflatable Structure Space-flight Experiment[R]. ADA413193, 2003.

[15] 王偉志. 太陽帆技術(shù)綜述[J]. 航天返回與遙感, 2007, 28(2):1-4, 48.WANG Weizhi. The Summary of the Solar Sails’ Deployment Technology[J]. Spacecraft Recovery and Remote Sensing, 2007, 28(2):1-4, 48. (in Chinese)

[16] 徐彥, 關(guān)富玲. 新型充氣展開遮光罩設(shè)計方案研究和仿真分析[J]. 航天返回與遙感, 2011, 32(2):55-63. XU Yan, GUAN Fuling. The Design and Simulation Research of New Inflatable Sunshield Structure[J]. Spacecraft Recovery and Remote Sensing, 2011, 32(2):55-63. (in Chinese)