適應(yīng)高溫隔熱屏安裝的衛(wèi)星1194A 接口質(zhì)測適配器設(shè)計(jì)

徐波濤，張 彬，徐在峰，呂景輝，王再成，王洪鑫

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心：北京 100094）

0 引言

某衛(wèi)星變軌發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其安裝法蘭靠近喉管處的溫度可達(dá)300～900 ℃[1]，需要在對接框內(nèi)側(cè)壁上安裝高溫隔熱屏組件，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程對衛(wèi)星內(nèi)部的熱影響[2]。以目前的安裝方式，高溫隔熱屏安裝后，隔熱屏材料外沿伸出與衛(wèi)星對接面，將封閉衛(wèi)星對接框上與整星支架車、質(zhì)量特性測試（質(zhì)測）支架（以下稱為適配器）等支承工裝對接的一圈44 套緊固件、3 個(gè)基準(zhǔn)定位銷裝拆所需的操作空間[3]。因此，需要在質(zhì)測時(shí)多次反復(fù)拆裝、固定高溫隔熱屏，給總裝操作帶來很大不便，降低總裝工作效率，增加磕碰鄰近設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。特別是衛(wèi)星發(fā)射場加注完成后再鉆入衛(wèi)星底部進(jìn)行高溫隔熱屏的固定操作，難度較大，使相關(guān)人員承擔(dān)較大風(fēng)險(xiǎn)和壓力。

因此，有必要優(yōu)化設(shè)計(jì)高溫隔熱屏安裝后衛(wèi)星與支承工裝的適配接口，并給出相應(yīng)工藝方案。同時(shí)，考慮到衛(wèi)星從靜止轉(zhuǎn)移軌道（GTO）向地球靜止軌道（GEO）變軌過程中，其遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量總是垂直于水平平面，推力中心點(diǎn)在水平平面的投影一般位于衛(wèi)星橫向坐標(biāo)中心點(diǎn)[4]，因此衛(wèi)星變軌精度對衛(wèi)星橫向（水平方向）質(zhì)量特性更加敏感。這就要求新設(shè)計(jì)的衛(wèi)星適配接口除要具備良好的人機(jī)工效外，還不能影響衛(wèi)星橫向質(zhì)量特性的獲取精度。

本文以較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適配接口的定位精度設(shè)計(jì)和變形分析，并用質(zhì)量特性測量試驗(yàn)結(jié)果對適配接口實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其滿足技術(shù)要求。

1 衛(wèi)星接口條件分析

1.1 接口尺寸分析

如圖1 所示，某衛(wèi)星機(jī)械接口為1194A 接口，衛(wèi)星變軌發(fā)動(dòng)機(jī)的推力器高溫隔熱屏安裝在該接口內(nèi)側(cè)，衛(wèi)星對接框（圖2）內(nèi)徑1120 mm、外徑1215 mm，端面周向均布44 處M6 螺孔用于與支承工裝的連接。安裝高溫隔熱屏后，這些螺孔將被遮擋，無法使用；而且，高溫隔熱屏組件向衛(wèi)星對接框-z側(cè)突出8 mm，與現(xiàn)有某平臺衛(wèi)星發(fā)射場的質(zhì)測適配器（具體尺寸參見圖3[5]所示）發(fā)生干涉，只能在質(zhì)測完成后安裝高溫隔熱屏。衛(wèi)星與質(zhì)測適配器對接時(shí)，高溫隔熱屏與質(zhì)測臺的干涉情況見圖4。

圖 1 衛(wèi)星高溫隔熱屏安裝的機(jī)械接口概貌Fig. 1 Mechanical interface for installation of satellite hightemperature insulation screen

圖 2 衛(wèi)星對接框剖面圖Fig. 2 Cutaway view of the satellite connecting frame

圖 3 某平臺衛(wèi)星與質(zhì)測適配器接口Fig. 3 Interface of the adaptor between satellite and the mass property measurement device

圖 4 衛(wèi)星與質(zhì)測適配器對接干涉的局部放大圖Fig. 4 Enlarged view of satellite’s connection with the fixture

1.2 操作流程及風(fēng)險(xiǎn)分析

由接口尺寸分析可知，須在衛(wèi)星加注、質(zhì)測完成后安裝高溫隔熱屏。該操作流程下，執(zhí)行高溫隔熱屏安裝的總裝操作人員需長時(shí)間在薄殼貯箱所容納的3 t 燃料正下方進(jìn)行作業(yè)[6]，存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，對操作人員造成較大心理壓力。另外，現(xiàn)有高溫隔熱屏的安裝方式封閉了衛(wèi)星對接框與支承工裝連接緊固件的操作空間，在質(zhì)測前/后需要反復(fù)進(jìn)行較為煩瑣的拆裝操作，給總裝操作帶來極大不便，降低工作效率，也增加磕碰鄰近設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

2 衛(wèi)星1194A 適配接口改造設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案的確定

著眼于高溫隔熱屏封閉了衛(wèi)星與支承工裝對接所需空間這一首要矛盾，在受衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)裕度限制不能更改高溫隔熱屏設(shè)計(jì)的前提下，本文提出更改高溫隔熱屏裝星后衛(wèi)星與支承工裝（整星支架車、質(zhì)測臺）連接方式的設(shè)計(jì)方案。

衛(wèi)星在發(fā)射場安裝高溫隔熱屏及與質(zhì)測臺對接的流程如圖5 所示：原有整星定位銷拆裝操作空間被高溫隔熱屏遮擋，因而需要將整星定位銷的安裝位置由衛(wèi)星對接框調(diào)整到質(zhì)測適配器對接框上。衛(wèi)星在安裝高溫隔熱屏前吊裝上整星支架車并拆除整星定位銷緊固件，與支架車對接后，采用螺釘反穿方式連接安裝高溫隔熱屏。在衛(wèi)星與質(zhì)測適配器對接的過程中，利用適配器上均布3 個(gè)的?6.5 mm緊固件安裝孔穿過?6 mm 導(dǎo)向桿，對衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)向粗定位。在衛(wèi)星到達(dá)對接面附近時(shí)，利用已安裝在適配器對接框上的定位銷對衛(wèi)星進(jìn)行精確導(dǎo)向定位，以滿足測量精度要求[7]。在整星定位銷被插入衛(wèi)星對接框安裝孔后，從質(zhì)測適配器對接框下方移除3 個(gè)導(dǎo)向桿，然后安裝8 套反穿螺釘。

圖 5 某衛(wèi)星在發(fā)射場安裝高溫隔熱屏及與質(zhì)測臺對接流程Fig. 5 Flow chart for installation of satellite high-temperature thermal insulation screen and connection with fixture at launch site

整星熱試驗(yàn)需要在衛(wèi)星水平狀態(tài)下進(jìn)行，對接連接處需要承受較大的剪切力[8]；整星力學(xué)試驗(yàn)時(shí)對接接口處存在較大量級載荷，因此該適配接口不適用于熱試驗(yàn)與力學(xué)試驗(yàn)工裝。

2.2 質(zhì)測工藝轉(zhuǎn)接環(huán)設(shè)計(jì)

為保證工藝轉(zhuǎn)接環(huán)（工藝環(huán)）與質(zhì)測適配器的定位精度，在工藝環(huán)4 個(gè)象限位置各設(shè)置1 處?6 mm 的定位銷孔，利用階梯定位銷與適配器定位。某平臺衛(wèi)星與質(zhì)測適配器及工藝環(huán)對接狀態(tài)見圖6。工藝環(huán)尺寸設(shè)計(jì)如圖7 所示：為實(shí)現(xiàn)質(zhì)測適配器與工藝環(huán)的連接，在工藝環(huán)?1142 mm 圓周上設(shè)計(jì)40 個(gè)T 形沉頭孔，與質(zhì)測適配器上原有的?1142 mm 圓周上的40 個(gè)?6.5 mm 衛(wèi)星連接孔孔位一致。衛(wèi)星對接框外徑1215 mm、內(nèi)徑1120 mm，因此工藝環(huán)設(shè)計(jì)為外徑1215 mm、內(nèi)徑1121 mm。質(zhì)測適配器對接面的平面度為0.03、平行度為0.05，對接環(huán)與其保持一致，優(yōu)于衛(wèi)星對接框的平面度要求（0.25）。衛(wèi)星安裝高溫隔熱屏組件后，有向下不超過8 mm 的翻邊，因此工藝環(huán)厚度設(shè)計(jì)為16 mm 可滿足對接要求。

圖 6 衛(wèi)星與質(zhì)測適配器及工藝環(huán)對接狀態(tài)Fig. 6 Connection among satellite, fixture and adapter ring

圖 7 工藝環(huán)尺寸設(shè)計(jì)Fig. 7 Dimension of adapter ring for mass property measurement

2.3 接口定位精度設(shè)計(jì)

圖 8 工藝環(huán)階梯定位銷Fig. 8 Step locating pin for the adaptor ring

圖 9 原整星定位銷Fig. 9 Locating pin for the satellite

3 有限元仿真分析

工藝環(huán)材料選用7075 超硬鋁合金，密度ρ=2700 kg/m3，楊氏模量E=70 GPa，泊松比v=0.3，強(qiáng)度為524 MPa；質(zhì)測適配器材料為ZL205A，強(qiáng)度為470 MPa。工藝環(huán)在發(fā)射場只作為橫向質(zhì)心測量使用，因此只分析其垂直受力情況。使用Pro-E/Mechanica 進(jìn)行仿真分析時(shí)，在工藝環(huán)上方均勻加載衛(wèi)星加注后的整星質(zhì)量。

某平臺衛(wèi)星平臺靜力分析條件如下：

1）衛(wèi)星與工藝環(huán)、質(zhì)測適配器連接接口為1194A；

2）衛(wèi)星質(zhì)心高度1850 mm；

3）衛(wèi)星整星質(zhì)量5500 kg。

有限元分析結(jié)果如圖10～圖12 所示：質(zhì)測適配器直接與衛(wèi)星連接時(shí)，最大應(yīng)力14 MPa，最大垂直位移0.053 mm；質(zhì)測適配器通過工藝環(huán)與衛(wèi)星連接時(shí)，最大應(yīng)力12.5 MPa，最大垂直位移0.044 mm；工藝環(huán)單獨(dú)位移幾乎為0?？梢娛褂霉に嚟h(huán)后對質(zhì)測適配器所受應(yīng)力及變形無影響，且質(zhì)測適配器通過工藝環(huán)與衛(wèi)星對接時(shí)，其應(yīng)力和變形均略小于衛(wèi)星直接與適配器連接時(shí)的。其原因是加裝工藝環(huán)后，質(zhì)測適配器法蘭等效厚度增大，法蘭總剛度變大，使變形減小。分析結(jié)果表明，工藝環(huán)的接口和強(qiáng)度設(shè)計(jì)均滿足使用1194A 接口的該平臺衛(wèi)星安裝高溫隔熱屏后的對接要求。

圖 10 質(zhì)測適配器直接與某平臺衛(wèi)星連接時(shí)的受力分析結(jié)果Fig. 10 Stress and deformation analysis for fixture directly connected with satellite

圖 11 質(zhì)測適配器通過工藝環(huán)與某平臺衛(wèi)星連接時(shí)的受力分析結(jié)果Fig. 11 Stress and deformation analysis for fixture connected with satellite through adaptor ring

圖 12 工藝環(huán)受力分析結(jié)果Fig. 12 Stress and deformation analysis of adapter ring

4 應(yīng)用與驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的1194A 適配接口在某衛(wèi)星發(fā)射場總裝和測試工作中進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證，具體流程參見圖5。

安裝發(fā)動(dòng)機(jī)支架高溫隔熱屏前，與質(zhì)測適配器的對接狀態(tài)為：使用整星直屬件定位銷與質(zhì)測適配器定位，利用衛(wèi)星對接框?1142 mm 圓周上的?6.2 mm通孔，通過M6 螺栓與質(zhì)測適配器連接。

衛(wèi)星安裝高溫隔熱屏后，為避免與質(zhì)測適配器干涉，采用16 mm 厚工藝環(huán)將衛(wèi)星墊高，對接狀態(tài)為：質(zhì)測適配器首先通過階梯定位銷與工藝環(huán)定位，并使用M6 螺栓與工藝環(huán)連接；然后階梯定位銷與衛(wèi)星定位，并利用衛(wèi)星對接框?1142 mm 圓周上的M5 螺釘孔將質(zhì)測適配器與衛(wèi)星連接。質(zhì)測臺經(jīng)精度檢定后，稱重精度為0.5 kg，力矩測量精度為0.2 kg·m，與原測量精度相同，滿足該平臺衛(wèi)星發(fā)射場的質(zhì)測要求。測試設(shè)備質(zhì)量測量的檢定誤差小于0.5 kg。

在該型號研制中進(jìn)行了推進(jìn)劑加注重量與整星稱重對比試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表1，側(cè)面驗(yàn)證了測試設(shè)備系統(tǒng)稱重誤差小于0.5 kg，滿足總體技術(shù)要求。

表 1 加注重量數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of test results of propellant weight

5 結(jié)束語

本文提出一種可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星變軌發(fā)動(dòng)機(jī)高溫隔熱屏在發(fā)射場一次安裝到位的工藝方案，設(shè)計(jì)了用于1194A 接口的適配結(jié)構(gòu)，解決了高溫隔熱屏安裝后封閉衛(wèi)星對接框與支承工裝接口所帶來的操作效率下降及風(fēng)險(xiǎn)等問題，并在某衛(wèi)星任務(wù)中成功應(yīng)用，測試精度滿足技術(shù)要求，總裝流程得到優(yōu)化。

由于適配結(jié)構(gòu)的工藝環(huán)是串聯(lián)在衛(wèi)星與支承工裝之間的，本適配方案尚未應(yīng)用于整星熱試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)等連接結(jié)構(gòu)存在交變載荷的場景。通過力學(xué)分析，證明了在單一縱向載荷下，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠降低既有機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力。有必要通過進(jìn)一步工作，將本適配接口向更多場景推廣，以達(dá)到降低總裝風(fēng)險(xiǎn)和操作復(fù)雜度的目的。