一種微低重力空間展開卸載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郭晨亮 楊 濤 王樹軍 焦云雷 王現(xiàn)沖

（1.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458；2.內(nèi)蒙古金崗重工有限公司，呼和浩特 010076）

一種微低重力空間展開卸載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郭晨亮1楊 濤1王樹軍2焦云雷1王現(xiàn)沖1

（1.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458；2.內(nèi)蒙古金崗重工有限公司，呼和浩特 010076）

為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和工作可靠性，通過(guò)分析探測(cè)器懸梯機(jī)構(gòu)縱向空間展開過(guò)程，確定微低重力卸載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并建立數(shù)學(xué)模型。詳細(xì)設(shè)計(jì)微低重力卸載系統(tǒng)，應(yīng)用于探月工程某探測(cè)月面微低重力環(huán)境下懸梯機(jī)構(gòu)展開功能測(cè)試。同時(shí)，為其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)品在地面模擬月面環(huán)境或其他微低重力環(huán)境下的空間展開試驗(yàn)驗(yàn)證提供參考價(jià)值。

空間展開機(jī)構(gòu)；微低重力；重力卸載系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 引言

為保證某懸梯機(jī)構(gòu)在月球上能正常展開工作，必須在地面模擬月球環(huán)境下的功能，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)在月球六分之一重力環(huán)境下的工作性能。模擬低重力的方法有柔性懸吊法、剛性懸吊法、氣浮支撐法、磁懸浮支撐法、液浮支撐法等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。針對(duì)不同機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性采用相應(yīng)的模擬方法。本文主要介紹采用柔性懸吊法+氣浮支撐法來(lái)設(shè)計(jì)月球微低重力卸載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬月球重力環(huán)境下懸梯機(jī)構(gòu)縱向展開功能。

2 懸梯機(jī)構(gòu)工作過(guò)程及特點(diǎn)

2.1 懸梯縱向展開功能概述

某懸梯由2個(gè)并行的分段懸梯通過(guò)鉸鏈鉸接而成，通過(guò)彈簧驅(qū)動(dòng)力在微低重力環(huán)境下同時(shí)展開并鎖定為剛體。在展開過(guò)程中較短的懸梯在重力環(huán)境下向重力方向運(yùn)動(dòng)，因此有利于展開，在微低重力環(huán)境下不考慮；較長(zhǎng)懸梯展開過(guò)程運(yùn)動(dòng)方向與微低重力方向相反，因此需進(jìn)行微低重力補(bǔ)償。2個(gè)懸梯質(zhì)心跨距850mm，微低重力卸載系統(tǒng)必須滿足2個(gè)懸梯同時(shí)展開的功能，微低重力卸載系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不得發(fā)生干涉。某懸梯機(jī)構(gòu)工作過(guò)程示意圖如圖1。

2.2 性能指標(biāo)要求

a.月球低重力卸載系統(tǒng)應(yīng)抵消整個(gè)運(yùn)動(dòng)部件重力的六分之五，允許誤差：±10%；

b.地面試驗(yàn)時(shí)使外懸梯處于微低重力環(huán)境，提供拉力不小于30N；

c.在兩懸梯在展開運(yùn)動(dòng)過(guò)程中模擬月面重力裝置不得發(fā)生干涉；

d.低重力卸載系統(tǒng)要能夠在不同地點(diǎn)及環(huán)境重復(fù)使用。方法簡(jiǎn)單、操作方便。

3 微低重力卸載方法及特點(diǎn)分析

3.1 微低重力卸載方法分析

根據(jù)重力抵消的原理，目前國(guó)際上通用的研究方法主要有落塔法、懸吊法、水浮法和氣浮法等[2，3]。通過(guò)查閱資料，主要采用懸吊法卸載，選取以下幾個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比、選擇，確定適用于此懸梯機(jī)構(gòu)展開的功能的最佳方案。

表1從功能性、可靠性、穩(wěn)定性、環(huán)境條件要求、制造成本、試驗(yàn)成本、實(shí)現(xiàn)難易程度等方面，對(duì)“氣球恒力懸吊法”、“定滑輪低重力提升法”、“機(jī)構(gòu)恒重力提升法”三種月球重力補(bǔ)償方法進(jìn)行了比較。

表1 三種月球重力補(bǔ)償方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較[4]

由表1可以看出，微低重力卸載系統(tǒng)采用氣球恒力懸吊法既滿足功能要求成本又較低，容易實(shí)現(xiàn)，在不同試驗(yàn)場(chǎng)地有很好的便捷性，是三種方法中最適合的一種微低重力補(bǔ)償方法。

3.2 氣球恒力懸吊法微低重力系統(tǒng)方案

在此機(jī)構(gòu)地面微低重力環(huán)境試驗(yàn)中，確定將采用氣球恒力懸吊法設(shè)計(jì)微低重力卸載系統(tǒng)。重力補(bǔ)償設(shè)備采用內(nèi)膽、外皮式結(jié)構(gòu)，因跨距850mm，采用環(huán)形與球復(fù)合的結(jié)構(gòu)，消除展開過(guò)程干涉現(xiàn)象；在繩索的中間連接“恒力轉(zhuǎn)換裝置”（彈簧或橡皮筋），補(bǔ)償氣球靜止自身慣量的影響，增加氣球在懸梯展開過(guò)程中的穩(wěn)定性，同時(shí)橡皮筋段增加保險(xiǎn)繩，以防止拉斷橡皮筋；在氣球的根部掛配重袋，調(diào)節(jié)氣球拉力。方案示意圖如圖2所示。

氣球微低重力卸載系統(tǒng)可重復(fù)使用，且有一定的強(qiáng)度與可靠度，充氣介質(zhì)選用氦氣。氣球雙層結(jié)構(gòu)不僅具有一定的強(qiáng)度而且還增加提升能力。通過(guò)充氣、放氣過(guò)程簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)功能。

4 建立數(shù)學(xué)模型

針對(duì)氣球微低重力卸載系統(tǒng)的氣球與懸梯系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，以便建立數(shù)學(xué)模型。受力分析示意圖如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)的要求為：

a.在靜止初始時(shí)刻氣球提供的浮力F浮=5/6g；

b.懸梯與豎直方向的初始夾角q=0；

c.彈簧的剛度系數(shù)很低，設(shè)為變量k；

d.懸梯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中q要求不能超過(guò)2π；

e.說(shuō)明有彈簧的優(yōu)點(diǎn)及分析出k與q的關(guān)系；

f.L為懸梯質(zhì)心與轉(zhuǎn)軸間距。

4.1 利用動(dòng)靜法列氣球?qū)︺q鏈轉(zhuǎn)軸中心O的力系平衡方程

首先，運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中存在如下假設(shè)：

a.懸梯展開的過(guò)程中，所受浮力一直豎著向上；

b.彈簧的質(zhì)量不計(jì)；

c.不考慮氣球的運(yùn)動(dòng)阻力；

d.繩子一直處于繃直狀態(tài)。

4.1.1 幾何參數(shù)關(guān)系

系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系如圖4所示。

假設(shè)彈簧在靜止時(shí)刻長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，變形量為X0，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變形增量為Dx。

4.1.2 利用動(dòng)靜法列力系平衡方程

a.對(duì)彈簧受力分析

如圖5所示，彈簧兩端力，大小相等方向相反；設(shè)彈簧剛度系數(shù)為k。

b.對(duì)氣球受力分析列氣球?qū)τ阢q鏈轉(zhuǎn)軸中心O的力系平衡方程

受力分析如圖6所示，假設(shè)氣球質(zhì)量mq，氣球速度vq，氣球加速度aq。

4.2 利用動(dòng)靜法列懸梯對(duì)鉸鏈轉(zhuǎn)軸中心O的力矩平衡方程

以懸梯為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)分析，如圖7所示。

設(shè)鉸鏈處的渦卷彈簧提供的力矩：

4.3 以懸梯理想運(yùn)動(dòng)建立系統(tǒng)約束條件

4.4 求滿足約束條件的最優(yōu)解

聯(lián)立式（1）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）、式（8）、式（9）、式（10）、式（12）得：

其中方程（15）為系統(tǒng)的目標(biāo)約束。

聯(lián)立方程（14）、方程（15）可知：kDxLsinθ=0，氣球懸吊系統(tǒng)中模擬的懸梯運(yùn)動(dòng)符合真實(shí)情況，要求彈簧在運(yùn)動(dòng)中的變形增量為0，即氣球要完全滿足懸梯運(yùn)動(dòng)。

又根據(jù)系統(tǒng)得知，氣球是隨動(dòng)的，因此該系統(tǒng)不能完全真實(shí)地模擬懸梯的展開運(yùn)動(dòng)。但在氣球與懸梯之間加上彈簧，能夠增加系統(tǒng)模擬的穩(wěn)定性，可以較為真實(shí)地模擬懸梯的受力情況。

為了滿足系統(tǒng)的目標(biāo)約束，較為準(zhǔn)確地模擬懸梯受力，因此聯(lián)立方程（13）、（15）得：

在懸梯整個(gè)展開運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈性繩的變化過(guò)程為：變形增量Δx由最大變最小時(shí)，真實(shí)地模擬月面環(huán)境下懸梯展開過(guò)程；變形增量Δx由最小變最大時(shí)，懸梯已經(jīng)完成展開鎖定，是模擬系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程。彈性繩變化的前半個(gè)過(guò)程，正是模擬系統(tǒng)的工作過(guò)程，更好地提高了月面環(huán)境重力卸載系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 氣球微低重力卸載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

重力補(bǔ)償設(shè)備采用內(nèi)膽、外皮式結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽用于充氣，外皮用于承力?？紤]850mm的跨距，采用環(huán)形氣球和球形氣球符合的方式，環(huán)形氣球的內(nèi)徑半徑大于850mm，球形氣球的繩索穿過(guò)環(huán)形氣球。內(nèi)膽采用分瓣式熱壓連接呈球形，在下端面留充放氣口。外皮同樣采用分瓣式縫制連接，在四周分別設(shè)置4個(gè)繩索連接環(huán)，在下端留內(nèi)膽充放氣口。繩索中間連接1m的橡皮筋彈性繩（選擇高彈性材料），在氣球根部設(shè)置配重袋，繩索采用棉質(zhì)尼龍繩，總長(zhǎng)4m。

5.2 材料設(shè)計(jì)

5.2.1 氣球內(nèi)膽材料

氣球內(nèi)膽選取氣密性好、重量輕的 TPU（Thermoplastic Urethane）膜。中文名稱為熱塑性聚氨酯彈性體，屬于高分子材料。TPU膜分為聚酯（ESTER）薄膜和聚醚（ETHER）薄膜系列。其中，聚酯薄膜具有強(qiáng)度高、韌性好、耐磨、耐寒、耐油、耐水、耐老化、耐熱性、耐化學(xué)溶劑性、氣密性佳、易加工等特性，厚度能達(dá)到0.015～0.80mm。因此，內(nèi)膽材料為聚酯（ESTER）薄膜TPU膜，密度90g/m2，厚度為0.08mm，顏色為白色[5]。

5.2.2 氣球外皮材料

氣球外皮選取重量輕、抗拉強(qiáng)度好的30D高強(qiáng)錦綸66降落傘面料。100%高強(qiáng)錦綸66傘布，是由一種高密度、高強(qiáng)度抗斷裂的尼龍纖維材料織成，輕薄、柔軟性好、較高的抗撕裂強(qiáng)度和抗拉斷強(qiáng)度、防灼傷性好、抗老化性能好、耐磨性能好等特性，現(xiàn)已被廣泛用于航天航空領(lǐng)域、滑翔傘上、風(fēng)帆特技風(fēng)箏上。外皮選用KN601傘布，密度為36g/m2，顏色為白色。

5.3 體積計(jì)算過(guò)程

假設(shè)條件：a.不考慮氣球厚度，認(rèn)為氣球排開空氣體積和氣球內(nèi)氦氣的體積相同；b.假設(shè)氣球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)圓球；c.考慮基地氣壓0.8，取安全系數(shù)1.2。

根據(jù)阿基米德原理浮力計(jì)算公式：F=ρgV；球體體積公式：V=4/3πR3；環(huán)形氣球體積公式：V=2π2R2(1+R)；氣球受力平衡方程：Fn=F浮-M氣球-M附，可計(jì)算出氣球的體積V及氣球半徑尺寸R。

其中，F(xiàn)n：靜拉力；F?。簹馇蚋×?；V：氣球體積；M球：氣球重量；R：氣球半徑；M附：氣球附件重量；g取9.8N/kg。

已知條件：氣球內(nèi)膽密度ρ內(nèi)=90g/m3，氣球傘布外膽ρ外=36g/m2，空氣密度ρ空=1.29kg/m3，

氦氣密度ρ氦=0.18kg/m3，氣球附件估算重量：M附=1kg。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果：球形氣球半徑R=1.14m，球形氣球體積V=6.21m3。

環(huán)形氣球內(nèi)圓半徑R=1m，環(huán)形氣球截面圓直徑Φ=1.02m，環(huán)形氣球體積V=7.75m3。

5.4 恒力裝置設(shè)計(jì)

選取彈性元器件作為恒力裝置，根據(jù)彈性元器件不同的剛度滿足不同拉力需求。彈簧元器件一般選用拉簧、芳綸結(jié)構(gòu)的彈性橡皮繩等。依據(jù)公式F=kx，k為彈性系數(shù)，根據(jù)提供拉力F值和運(yùn)動(dòng)行程x的值計(jì)算k。x行程取欲度為1.2～1.5。

彈性元器件需經(jīng)過(guò)彈性系數(shù)測(cè)試，可依據(jù)機(jī)構(gòu)質(zhì)量選取，一般選取彈性系數(shù)k大于200N/m。

6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證及應(yīng)用情況

6.1 氣密性檢測(cè)方法

氣球微低重力卸載系統(tǒng)的氣球材料選取正規(guī)廠家生產(chǎn)合格材料，經(jīng)熱壓熔焊制成，其低溫性能和抗拉伸強(qiáng)度非常好，為提高載重能力，采用雙成結(jié)構(gòu)。熱壓時(shí)主要控制溫度和壓力，溫度一般控制在(85±5)℃，壓力一般控制在30～40kg/m2。在內(nèi)膽成型后進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，充空氣靜止7d無(wú)漏氣，合格后與外皮組裝，最后工序中用空氣進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，充滿空氣，放置1kg物體靜置7d，物體無(wú)下沉現(xiàn)象視為無(wú)漏氣。

6.2 漏率指標(biāo)測(cè)試

以直徑為2.2m的圓球形氣球?yàn)闇y(cè)試對(duì)象，充氦氣至浮力52.6N時(shí)，通過(guò)觀測(cè)電子秤讀數(shù)變化來(lái)計(jì)算氣球微低重力卸載系統(tǒng)的泄漏率。測(cè)試浮力與漏率相對(duì)時(shí)間關(guān)系曲線如圖9所示。

6.3 氣球微低重力卸載系統(tǒng)應(yīng)用情況

微低重力卸載系統(tǒng)成功應(yīng)用與探月三期工程某機(jī)構(gòu)的空間展開功能測(cè)試。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)失衡、漂移和干涉現(xiàn)象發(fā)生，提供拉力穩(wěn)定，能滿足懸梯機(jī)構(gòu)在微低重力環(huán)境下縱向空間展開卸載功能要求。在不同場(chǎng)地快速開展試驗(yàn)，便攜性高、操作簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠。推廣應(yīng)用于其他機(jī)構(gòu)類似功能測(cè)試，為宇航產(chǎn)品研制提供有力保障。空間展開測(cè)試照片如圖10所示。

7 結(jié)束語(yǔ)

a.通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型分析，采用氣球恒力懸吊法微低重力系統(tǒng)方案合理可行；

b.詳細(xì)設(shè)計(jì)出氣球微低重力卸載系統(tǒng)解決了機(jī)構(gòu)微低重力下空間展開功能問(wèn)題；

c.此系統(tǒng)成功應(yīng)用于探月工程某探測(cè)器機(jī)構(gòu)微低重力環(huán)境下懸梯機(jī)構(gòu)展開功能測(cè)試；

d.為其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)品在地面模擬月面環(huán)境或其他微低重力環(huán)境下的縱向展開試驗(yàn)驗(yàn)證提供參考價(jià)值。

1 韋娟芳.衛(wèi)星天線展開過(guò)程零重力環(huán)境模擬設(shè)備[J].空間電子技術(shù)，2006(2)：29～42

2 李團(tuán)結(jié)，張琰，段寶巖.周邊桁架可展天線展開過(guò)程運(yùn)動(dòng)分析及控制[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，34(6)：916921

3 趙孟良，吳開成，關(guān)富玲.空間可展桁架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2005，39(11)：1669～1674

4 從強(qiáng).空間機(jī)構(gòu)地面智能管理補(bǔ)償設(shè)備[C].見：航天器公差論文集.北京：北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，2010.329～334

5 張一公.常用工程材料選用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：587～589

Design andApplication ofAUnloading System of Spatial Deployment for Micro or Low Gravity

Guo Chenliang1Yang Tao1Wang Shujun2Jiao Yunlei1Wang Xianchong1
(1.Tianjin Aerospace Institute of Electrical and Mechanical Equipment,Tianjin 300458; 2.Inner Mongolia Jingang Heavy Industry Co.,Ltd,Hohhot 010076)

To verify the reliability and correctness of the mechanism design,the design programs of gravity unloading system are determined and the mathematical model is built by analyzing the process of the spatial deployment. The detailed design of the unloading system have been applied to a ramp mechanism in the lunar exploration program. This paper can provide some reference value for the spatial deployment experiment of mechanisms in micro or low gravity environment.

spatial deployment mechanism；micro or low gravity；gravity unloading system;design and application

郭晨亮（1983-），工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：航天器機(jī)構(gòu)精密制造工藝設(shè)計(jì)及機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2017-02-06