一種三單元立方體衛(wèi)星分離裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)

賈磊朋 劉建

摘 要：立方星作為一種微納衛(wèi)星，具有成本低，功能密度大，研制周期短，入軌快的等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大學(xué)開展航天科學(xué)研究和教育。其通過組網(wǎng)形成星座，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋、大氣環(huán)境、船舶、航空飛行器等的監(jiān)測(cè)。本文主要包括立方星和分離機(jī)構(gòu)的發(fā)展和發(fā)展現(xiàn)狀的簡(jiǎn)介，并從工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。釋放分離裝置主要由矩形框架、彈簧機(jī)構(gòu)、門鎖機(jī)構(gòu)、控制電路及與運(yùn)載器之間的電氣和機(jī)械接口組成.

關(guān)鍵詞：立方星；航天科學(xué)；分離裝置

1 研究背景

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，微電子、微機(jī)械、納米等技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，小衛(wèi)星技術(shù)日新月異，小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)也逐漸成為世界航天活動(dòng)高速發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力和重要發(fā)展領(lǐng)域，正孕育著未來航天發(fā)展的重大變革。立方星作為國(guó)際上廣泛用于大學(xué)開展航天科學(xué)研究和教育的一種小衛(wèi)星，因?yàn)槠渚哂谐杀镜?、功能密度大、研制周期短、入軌快等?yōu)勢(shì)，并能通過組網(wǎng)形成星座，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋、大氣環(huán)境、航空飛行器、船舶等的監(jiān)測(cè)，從而發(fā)展迅速。

國(guó)際上習(xí)慣把質(zhì)量小于一頓的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星。最早在1999年，美國(guó)斯坦福大學(xué)教授湯姆肯尼對(duì)皮衛(wèi)星提出了一種新概念—立方星，其重量1千克，體積為100mm×100mm×100mm，也叫作1U，由若干顆立方星即若干個(gè)U可以組成立方體納衛(wèi)星，從那以后，立方星和立方體納衛(wèi)星則得到了迅速發(fā)展。下表列出了一些立方星按質(zhì)量的分類標(biāo)準(zhǔn)。

目前國(guó)內(nèi)外已有近100顆微小星發(fā)射入軌，被廣泛應(yīng)用于大學(xué)開展航天科學(xué)研究與教育，在立方星釋放機(jī)構(gòu)方面我學(xué)習(xí)和了解了立方星發(fā)射歷史上的多個(gè)經(jīng)典案例，如下圖所示：

2 分離裝置工作原理

立方體衛(wèi)星釋放分離機(jī)構(gòu)是裝載衛(wèi)星后搭載著運(yùn)載火箭進(jìn)入太空的，當(dāng)裝置到達(dá)預(yù)定軌道，此時(shí)運(yùn)載方發(fā)射一個(gè)分離信號(hào)，控制門鎖機(jī)構(gòu)打開艙門，艙門解鎖后在扭簧的作用下沿著艙門轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)100 度至抱剎機(jī)構(gòu)工作，此時(shí)艙門完全打開，由于動(dòng)力彈簧的作用，底托裝置沿導(dǎo)軌從裝置底部推動(dòng)立方星至頂端，此時(shí)立方星完全脫離分離裝置，完成部署。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)力彈簧設(shè)計(jì)

動(dòng)力彈簧是立方星與分離裝置實(shí)現(xiàn)分離的儲(chǔ)能零件，主要作用是在運(yùn)載器攜帶分離裝置入軌后將儲(chǔ)能釋放出來，實(shí)現(xiàn)分離。釋放分離裝置長(zhǎng)寬比較大，所以分離彈簧行程較長(zhǎng)。援助彈簧具有精密的調(diào)節(jié)性能，柔軟性能較好，容易制造，結(jié)構(gòu)緊湊，能量利用率高，完全適合分離所需分離彈簧的要求。在不考慮分離彈簧彈性阻尼、艙門轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力、立方星與導(dǎo)軌間的摩擦力以及艙門對(duì)立方星干涉作用等前提下，分離彈簧的彈性勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為立方星的動(dòng)能，由能量守恒原理，有如下關(guān)系：

式中k為動(dòng)力彈簧的彈性系數(shù)；x為動(dòng)力彈簧初始?jí)嚎s量，F(xiàn)為分離彈簧初始?jí)毫Γ琺為立方星的質(zhì)量，v為立方星初始分速度。當(dāng)立方星分離機(jī)構(gòu)總裝完成后，立方星的質(zhì)量m固定，為使立方星初始分離速度滿足技術(shù)指標(biāo)要求，可以通過分離彈簧剛度k和初始?jí)嚎s量x的設(shè)計(jì)來保證。

3.2 裝置的主承力框架

釋放分離機(jī)構(gòu)主干部分是一個(gè)矩形框架，主要由橫梁和立柱底蓋搭建而成。通過標(biāo)準(zhǔn)立方星的大小，確定方形橫梁的基本尺寸，保證立方星能夠成功容納于分離裝置。這種由幾部分成功搭建的矩形框架，比較容易進(jìn)行測(cè)試、調(diào)試、修改。主承力框架由上示橫梁及底板和立柱搭建而成，四個(gè)立柱互不相同，最右邊兩個(gè)立柱內(nèi)側(cè)則附有導(dǎo)軌，以保證衛(wèi)星的‘零障礙滑動(dòng)，三個(gè)中間的橫梁設(shè)計(jì)則完全一致。

3.3 滑動(dòng)底托設(shè)計(jì)

底托裝置在衛(wèi)星與分離裝置分離過程中起著直接推動(dòng)作用。其與底蓋之間用彈簧相連，底托主要由上底托板、下底托板、四個(gè)底托支撐及四個(gè)3×8×8的軸承和彈簧、墊片組成。對(duì)角的兩個(gè)底托支撐則一致，兩個(gè)裝軸承的底托支撐中，其中一個(gè)加彈簧增加彈力，一個(gè)加墊片保持厚度，這樣就能夠保證底托在矩形框架內(nèi)的導(dǎo)軌上已微小摩擦滑動(dòng)，這樣的設(shè)計(jì)也保證了調(diào)試的方便。

3.4 阻車機(jī)構(gòu)和抱剎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)艙門關(guān)閉，電磁鎖處于鎖死狀態(tài)時(shí)，衛(wèi)星底托處于最下方，且此時(shí)動(dòng)力彈簧處于壓縮狀態(tài)，同時(shí)阻車機(jī)構(gòu)處于阻車狀態(tài)：衛(wèi)星在分離機(jī)構(gòu)內(nèi)不受動(dòng)力彈簧的作用。

針對(duì)三單元立方體分離裝置，其阻車機(jī)構(gòu)由長(zhǎng)螺紋桿，小彈簧、阻車塊及螺母組成。由于三單元分離裝置分離前高度為415mm，考慮到國(guó)內(nèi)對(duì)于過長(zhǎng)螺紋桿的加工水準(zhǔn)，特別地，將長(zhǎng)螺紋桿設(shè)計(jì)成兩段不等長(zhǎng)度的螺紋桿，中間采用內(nèi)螺紋筒鏈接。在靠近螺紋桿的立柱上，其與每個(gè)橫梁的連接點(diǎn)附近設(shè)有防止阻車塊的槽，共計(jì)四個(gè)，通過螺紋桿串聯(lián)，穩(wěn)定在特定槽內(nèi)。在每個(gè)阻車塊上下兩端，通過四個(gè)螺母，形成兩對(duì)對(duì)頂螺母，下端的螺母與阻車塊之間加一彈簧，防止阻車塊上下活動(dòng)，影響阻車效果。

當(dāng)艙門開啟釋放衛(wèi)星時(shí)，在艙門轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，阻車機(jī)構(gòu)仍然處于阻車狀態(tài)，這樣的設(shè)計(jì)保證了艙門在未完全開啟時(shí)，不會(huì)與衛(wèi)星發(fā)射碰撞，有效地防止了發(fā)射事故。當(dāng)艙門完全開啟，卡門器處于工作狀態(tài)時(shí)，阻車塊阻車失效導(dǎo)軌完全光滑，被壓縮的動(dòng)力彈簧在彈性勢(shì)能的作用下，將衛(wèi)星送離分離機(jī)構(gòu)，使其進(jìn)入預(yù)定軌道。

3.5 電磁鎖設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在同運(yùn)載器進(jìn)入太空，到與分離裝置分離前，都是安裝在分離裝置內(nèi)。艙門利用電磁鎖將其鎖死，防止在運(yùn)載過程中意外打開，導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。艙門的開關(guān)由電磁控制，通電前，鎖吸快和電磁鐵相吸，當(dāng)電磁系統(tǒng)提供電源后，失電型電磁鐵失去磁性，鎖吸快在彈簧的拉力作用下被拉向兩側(cè)。同時(shí)，由于杠桿作用原理，電磁鎖上的軸承脫離頂蓋前端的卡槽，頂蓋在頂蓋轉(zhuǎn)軸中部扭簧以及頂蓋內(nèi)側(cè)彈力彈簧的雙重作用下，繞頂蓋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)打開，當(dāng)頂蓋轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度，抱剎機(jī)構(gòu)生效，衛(wèi)星順利彈出。頂蓋上的電磁鎖卡槽設(shè)計(jì)成可以360度轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，當(dāng)鎖吸快任意一塊失去磁性，即任意一個(gè)鎖軸承脫離卡槽，艙門即會(huì)開啟，這樣保證了艙門開啟額可靠性，減少了不必要的事故隱患。

3.6 蒙皮設(shè)計(jì)

蒙皮是對(duì)主體框架的包裝，一方面顯得美觀大方，另一方面，蒙皮也是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。蒙皮的設(shè)計(jì)保證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆卸和組裝，同時(shí)也需要盡可能減少質(zhì)量，增加整個(gè)釋放分離系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)三單元立方星分離機(jī)構(gòu)，蒙皮主要固定到分離機(jī)構(gòu)的立柱上，通過部分連接件以及螺紋孔進(jìn)行螺紋連接。特別的，由于三單元分離裝置中部有兩層立方塊，其蒙皮設(shè)計(jì)完全相同。蒙皮與分離裝置的立柱之間通過螺紋固定連接，同時(shí)考慮到溫度對(duì)材料的影響，蒙皮設(shè)計(jì)采用航空鋁材材料，加強(qiáng)了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.7 釋放分離機(jī)構(gòu)和運(yùn)載器之間的連接設(shè)計(jì)

釋放分離機(jī)構(gòu)攜帶立方星必須搭載運(yùn)載火箭才能順利進(jìn)入軌道，而運(yùn)載器與分離裝置之間的連接也是分離裝置設(shè)計(jì)過程中的重要一部分。

如果運(yùn)載器和分離裝置的的連接是直接和立柱或是橫梁連接的，由于分離機(jī)構(gòu)小巧玲瓏，質(zhì)量輕，功效大，這勢(shì)必會(huì)使其發(fā)生變形，一定程度上影響影響衛(wèi)星的成功分離[14]。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)采用了連接件來保證分離裝置與運(yùn)載器之間的安全連接。考慮到發(fā)射過程中，運(yùn)載器和釋放分離機(jī)構(gòu)與空氣之間的一系列震動(dòng)問題，連接件我們選用了鈦合金材料，這樣保證了一定的強(qiáng)度和硬度，防止了因震動(dòng)松動(dòng)或是材質(zhì)差而導(dǎo)致的變形，影響正常的發(fā)射分離。

4 總結(jié)

1）隨著科技的進(jìn)步，學(xué)者們對(duì)微小衛(wèi)星的研發(fā)有了顯著的成果，但是針對(duì)衛(wèi)星發(fā)射所需求的分類裝置，由于缺乏合適的星箭分離裝置，而一定程度上限制了立方星領(lǐng)域的發(fā)展。也正是由于釋放分離裝置的原因，以及航天飛行器的發(fā)射環(huán)境條件和其他外部因素，從而導(dǎo)致了大多立方星的發(fā)射事故，顯然，立方星的發(fā)射成功與否，很大程度上與釋放分離機(jī)構(gòu)有著必然的聯(lián)系。

2）該三單元立方體衛(wèi)星分離裝置的成功應(yīng)用，還需進(jìn)行一系列的試驗(yàn)、仿真等改進(jìn)過程，比如還需進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，有限元模擬仿真，靜力學(xué)分析等等，在進(jìn)一步的設(shè)計(jì)試驗(yàn)還需較長(zhǎng)一段時(shí)間的工作開展。

參考文獻(xiàn)

[1]張佼龍，周軍.立方星星箭分離機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].光學(xué)精密工程，2017，25（04）：387-395.

[2]林來興.立方體星的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景[J].航天器工程，2013，22（03）：90-98.

[3]姚敏、趙敏.微小衛(wèi)星智能化星務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.南京航天航空大學(xué).2008.TP301.6

[4]張佼龍，周軍.立方星星箭分離電磁解鎖機(jī)構(gòu)[J].光學(xué)精密工程，2018，26（03）：606-615.