“太原號”立方星氣動增阻輔助離軌帆裝置①

陳 昊,徐 超,2,王海軍,呂明帥

(1. 西北工業(yè)大學航天學院 ,西安 710072;2.西北工業(yè)大學青島研究院,青島 266200;3.山東航天電子技術(shù)研究所,煙臺 264003)

0 引言

立方星,尤其是低軌道立方星具有星地延遲小、路徑損耗小、成本低、研發(fā)周期短等特點,在軍用以及民用航天中獲得了廣泛的應用[1-2]。 但是,立方星體積較小,攜帶燃料有限,其工作時間也往往很短。 在到達工作壽命后若不能及時離軌,將成為嚴重威脅其他在軌航天器安全的空間垃圾,且廢棄立方星體積小,對于空間碎片監(jiān)測能力也有提出了較高的要求[3]。

衛(wèi)星在軌飛行阻力與環(huán)境大氣層的密度、阻力系數(shù)及衛(wèi)星面積成正比。 因此,氣動增阻離軌帆技術(shù)非常適合低軌道微納衛(wèi)星的離軌。 在衛(wèi)星達到壽命末期后,展開一面積較大的帆膜,增大衛(wèi)星面質(zhì)比,從而增大衛(wèi)星在軌飛行時受到的大氣阻力,給予衛(wèi)星一個速度增量,使衛(wèi)星飛行速度減慢,促使其軌道衰減,加速衛(wèi)星墜落到大氣層內(nèi)燒毀。

英國“薩里”空間中心實施了衛(wèi)星快速離軌試驗項目“Deorbit Sail”[4-5],該項目在3U 立方星上安裝了5 m×5 m 的阻力帆并于2015 年7 月10 號成功將其發(fā)射入軌。 美國國家航空航天局(NASA)研制的NanoSail-D2[6]阻力帆展開面積為10 m2,于2011年1 月20 號實現(xiàn)在軌展開。 加拿大多倫多大學空間飛行實驗室設計的CanX-7[7]衛(wèi)星離軌系統(tǒng)由四個三角形阻力帆裝置組成,總展開面積為4.25 m2,于2016 年9 月發(fā)射入軌,2017 年5 月展開阻力帆。AEOLDOS(Aerodynamic End of Life DeOrbit System)[8-9]阻力帆裝置由英國格拉斯哥大學與德國慕尼黑工業(yè)大學聯(lián)合研制,大小為0.4U(10 cm×10 cm×4 cm),理論上可攜帶帆膜最大面積為3 m2。 PWSat2 衛(wèi)星上的阻力帆裝置由波蘭華沙理工大學研制,采用旋轉(zhuǎn)式展開方法。 阻力帆裝置的體積小于1U,帆膜展開面積為4 m2,帆膜選用厚5 μm 的邁拉(Mylar)聚酯薄膜,PW-Sat2[10-11]衛(wèi)星于2018 年發(fā)射入軌。 近年來,國內(nèi)南京理工大學、北京理工大學、天儀研究院等單位也開展了氣動增阻離軌帆的研制[12-13]。

“太原號”八一03 星是由太原市教育局聯(lián)合中國航天科技國際交流中心發(fā)起,太原市進山中學學生全程參與研制的科普立方星,主要用于開展天體遙感觀測、對地觀測、天地協(xié)同編程教育等實驗,同時搭載了“孩子的聲音上太空”大型公益活動芯片,為青少年學生提供航天科普和教育實踐平臺[14]。

本文針對八一03 星的壽命末期離軌要求,設計了一種模塊化立方星輔助離軌帆裝置。 首先,確定了微納衛(wèi)星輔助離軌帆結(jié)構(gòu)的總體方案,設計了微納衛(wèi)星輔助離軌帆的具體結(jié)構(gòu)形式、帆膜折疊方式以及鎖定解鎖方案;其次,制作了實驗樣機進行地面展開實驗以驗證離軌帆結(jié)構(gòu)及展開方式的合理性,完成了機加工樣機并進行了真空熱循環(huán)試驗,以驗證離軌帆裝置在空間熱環(huán)境下的可靠性;進行了正弦掃頻試驗、隨機振動試驗以及沖擊試驗,驗證了離軌帆裝置在運輸、發(fā)射力學環(huán)境中的可靠性。 最后,2020 年11 月6 日,所設計的離軌帆搭載“太原號”八一03 星圓滿完成了發(fā)射入軌。

1 離軌帆結(jié)構(gòu)方案設計

本文所設計的離軌帆裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主要由側(cè)板、驅(qū)動組件、解鎖組件、帆膜儲箱及帆膜等構(gòu)成,離軌帆主體結(jié)構(gòu)材料為鋁合金。 由于“太原號”八一03 星額外搭載空間有限,離軌帆結(jié)構(gòu)設計較為緊湊,整個離軌帆裝置收納狀態(tài)下搭載空間僅為80 mm×80 mm×58 mm,質(zhì)量不超過400 g。

圖1 輔助離軌帆裝置結(jié)構(gòu)主要部件及裝配關(guān)系(1.側(cè)板,2.解鎖組件,3.驅(qū)動組件,4.帆膜儲箱)Fig.1 The main components and assembly relations of the drag sail device structure (1.Baffle plate,2.Unlock components,3.Drive components,4.Membrane storage device)

如圖2 所示,“太原號”立方星輔助離軌帆裝置的具體展開過程為:

圖2 輔助離軌帆裝置工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working state of the drag sail device

1)“太原號”立方星工作到達壽命末期,由星載計算機或地面控制站發(fā)出釋放指令;

2)接收到釋放指令后,離軌帆裝置的電控系統(tǒng)工作,給側(cè)板解鎖裝置通電,熱刀燒斷纖維線,側(cè)板打開,釋放帆膜;

3)完成側(cè)板解鎖后,離軌帆裝置的電控系統(tǒng)給轉(zhuǎn)軸解鎖裝置通電,熱刀燒斷纖維線,鎖緊夾塊彈開,釋放中心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動自由度;

4)處于高能狀態(tài)的卷尺彈簧開始工作,在應變能作用下,卷尺彈簧向外運動,同時帶動帆膜儲箱中的膜展開。

1.1 驅(qū)動組件設計

驅(qū)動組件由中心轉(zhuǎn)軸、卷尺彈簧、壓緊機構(gòu)等組成,具體如圖3 所示。 該組件包括4 根卷尺彈簧,其作為離軌帆裝置帆膜展開的驅(qū)動源,在釋放約束后,靠其自身存儲的應變能帶動帆膜展開,實現(xiàn)輔助離軌。

圖3 輔助離軌帆裝置驅(qū)動組件主要部件及裝配關(guān)系(1.中心轉(zhuǎn)軸,2.卷尺彈簧,3.壓緊機構(gòu))Fig.3 The main components and assembly relations of the drive mechanism of the drag sail device (1.Shaft,2.Tape measure,3.Compression mechanism)

離軌帆裝置有4 個相同的壓緊機構(gòu),壓緊機構(gòu)的作用主要是防止中心轉(zhuǎn)軸誤解鎖導致卷尺在儲箱內(nèi)部膨脹卡死,同時對卷尺的運動起到一定的導向作用。 每個壓緊機構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、壓緊臂、滾筒和扭簧等組成,在扭簧的作用下滾筒壓在卷尺側(cè)面,壓緊機構(gòu)通過扭簧和壓板給卷尺彈簧一個向心壓力,當卷尺展開時起到導向作用,并能防止卷尺彈簧的膨脹,壓緊端用滾筒式設計將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦,減少阻礙卷尺彈簧展開的摩擦力。

1.2 解鎖組件設計

解鎖裝置作為離軌帆的重要組成部分,其主要作用有兩個:第一個作用是在未工作狀態(tài),保持卷尺彈簧的儲能狀態(tài),避免其在航天器發(fā)射過程中及航天器上其余載荷工作時展開干擾航天器的正常工作,同時保證將帆膜收納于離軌帆裝置內(nèi)部,防止其受到損傷;第二個作用是在工作狀態(tài)即接收到星載計算機或地面控制站工作指令后,解除對卷尺彈簧以及帆膜的限制,卷尺彈簧展開同時帶動帆膜展開。

解鎖裝置如圖4 所示,該組件包括側(cè)板鎖定解鎖機構(gòu)和轉(zhuǎn)軸鎖定解鎖機構(gòu)。 離軌帆解鎖采用熔斷式解鎖,相比于傳統(tǒng)的機械式解鎖裝置,熔斷式解鎖裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點。 整個解鎖裝置包括彈簧、鎖緊夾塊、纖維繩以及熱刀。

圖4 輔助離軌帆裝置解鎖組件主要部件及裝配關(guān)系(1.熱刀,2.鎖緊夾塊,3.彈簧,4.軸承)Fig.4 The main components and assembly relations of the unlocking mechanism of the drag sail device (1.Hot knife device,2.Lock clamp,3.Spring,4.Bearing)

整個離軌帆裝置的解鎖流程為:離軌帆裝置收到星載計算機或者地面工作站的工作指令時,解鎖裝置開始工作,熱刀通電熔斷熱敏纖維,彈簧推動鎖緊夾塊彈開使得中心軸轉(zhuǎn)動自由度得以釋放,卷尺彈簧開始向外運動,帶動帆膜展開。

電路板模型如圖5 所示。 熱刀裝置由兩個相同的貼片電阻并聯(lián)而成,接通電源后,貼片電阻發(fā)熱將Dynnema 纖維熔斷,兩個并聯(lián)的電阻互為備份,用以保證熱刀的工作可靠性。 綁線從兩枚貼片電阻的上方穿過,與兩枚電阻接觸后預緊。

圖5 離軌帆熱刀設計模型(1.綁線,2.PCB 基板,3.貼片電阻)Fig.5 Model of the hot knife(1.Binding wire,2.PCB board,3.Chip resistor)

考慮到離軌帆裝置在衛(wèi)星壽命末期開始工作,此時衛(wèi)星星載電源經(jīng)過長時間工作后可能無法穩(wěn)定提供12 V 電源,因此設置試驗電壓下限為10.8 V,本文利用直流穩(wěn)壓電源模擬衛(wèi)星供電,測得不同溫度下的解鎖時間如表1 所列。

表1 不同環(huán)境溫度下熱刀解鎖試驗結(jié)果Tab.1 Unlocking time of the hot knife at different temperatures

2 卷尺展開彎矩分析

離軌帆屬于被動清理裝置,展開過程不需要外部供能。 其展開的驅(qū)動力矩由彈性桅桿(卷尺彈簧)提供,本文通過Abaqus 有限元分析了卷尺彈簧纏繞收納時提供展開彎矩的大小。

圖6 卷尺彈簧彎曲示意圖Fig.6 Schematic diagram of tape measure bending

本文選用市面上常見的卷鋼尺作為分析對象。實驗室測得卷鋼尺部分截面參數(shù):圓弧半徑r=14.29 mm,圓心角θ=65°。 在有限元分析中選取卷鋼尺長度L=100 mm。 卷尺彈簧材料為50#鋼(熱處理),其彈性模量E=210 GPa,泊松比μ=0.3。彈簧卷尺有限元模型如圖7 所示。

圖7 彈簧卷尺有限元模型Fig.7 Finite element model of tape measure

有限元計算中,在卷尺彈簧兩端截面上施加轉(zhuǎn)角,計算中截面的彎矩。 為保證卷尺彈簧處于純彎曲狀態(tài),端截面上的所有節(jié)點通過MPC 與參考點相連,轉(zhuǎn)角位移施加在參考點上。

圖8 表示卷尺彈簧長度方向中截面彎矩隨卷尺彈簧轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系圖。

圖8 彈簧卷尺彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.8 Bending moment-angle curve of tape measure

由圖8 可知,在轉(zhuǎn)動角度較小時,中截面彎矩隨著轉(zhuǎn)角的增大迅速增大,轉(zhuǎn)角增大到13°左右時,彎矩達到極值, 即卷尺彈簧的臨界彎矩值為282.3 N·mm;彎矩到達臨界點后,卷尺彈簧開始發(fā)生屈曲,彎矩值急劇下降并達到新的平衡狀態(tài);隨著卷尺彈簧的轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大,彎曲區(qū)域沿長度方向的曲率保持不變,彎曲區(qū)域弧長增加,中截面的彎矩保持不變,此時對應卷尺彈簧的展開彎矩。 根據(jù)圖8 可知,有限元Abaqus 軟件求解得卷尺彈簧的展開彎矩為66.6 N·mm。

3 帆膜折疊方式

帆膜能否順利展開關(guān)系到離軌帆裝置能否正常工作,因此帆膜的折疊也是離軌帆設計的一個關(guān)鍵技術(shù)。 Frog-leg 折疊方法以及Double accordion 折疊方法是三角形帆膜的兩種主要折疊形式。

Frog-leg 折疊方法先沿著平行三角形區(qū)域的長邊進行一系列的等距Z 形折疊,隨后從長條狀的中間部分向兩側(cè)開始進行一系列的不等距Z 形折疊以保證最終折疊體能夠和帆膜儲箱匹配,具體折疊方式如圖9 所示。

圖9 “Frog-leg”折疊方式以及相關(guān)展開試驗Fig.9 “Frog-leg”folding method and relevant deployment test

Double accordion 折疊方法先沿著平行三角形區(qū)域的斜邊垂向進行一系列的等距Z 形折疊,然后沿著平行于長條的寬度方向進行一系列的不等距Z形折疊,如圖10 所示。

圖10 “Double accordion”折疊方式Fig.10 “Double accordion”folding method

如圖9 所示,相關(guān)試驗表明利用Frog-leg 折疊方法折疊而成的帆膜在三角形長邊區(qū)域出現(xiàn)局部凹陷無法完全展開,其展開效率比Double accordion 折疊方法低。 因此,本文選擇Double accordion 折疊方法對帆膜進行折疊。

4 離軌帆地面展開及環(huán)境試驗

為驗證離軌帆結(jié)構(gòu)設計方案的合理性,本文制作了離軌帆裝置的原理樣機并進行了地面展開試驗。 實驗迭代設計樣機采用3D 打印技術(shù)制作,材料為PLA。 相較于機加工技術(shù),3D 打印具有成本低,加工周期短的特點,適合進行迭代設計。

離軌帆結(jié)構(gòu)3D 打印樣機如圖11 所示,離軌帆裝置帆膜展開面積為1 m2。

圖11 離軌帆3D 打印樣機及地面展開試驗Fig.11 3D printed drag sail device prototype and deployment test

本文進行了多次展開試驗。 在試驗中發(fā)現(xiàn),壓緊機構(gòu)可以很好地起到導向作用,并能防止卷尺彈簧的膨脹,使得展開過程更為順暢。 整個地面試驗過程中離軌帆工作狀況良好,沒有出現(xiàn)卡死等情況,利用Double accordion 折疊方法折疊而成的帆膜在支撐桿驅(qū)動下展開狀態(tài)良好。

空間環(huán)境是一個高真空、強太陽輻射的環(huán)境[15]。 因此,為了保證離軌帆裝置的可靠性,必須在地面試驗系統(tǒng)內(nèi)進行真空熱循環(huán)試驗[16],進而評估離軌帆裝置在空間熱環(huán)境下的工作能力。 此外,為了驗證離軌帆裝置與相應火箭發(fā)射環(huán)境的兼容性以及運輸過程的安全性,還需要對離軌帆機構(gòu)進行發(fā)射環(huán)境測試,以確保離軌帆機構(gòu)在發(fā)射振動載荷下的可靠性[17]。

完成“太原號”立方星增阻離軌帆裝置機加工樣件后,參照試驗大綱,開展了驗收級力學試驗及熱真空試驗。 試驗包括:真空熱循環(huán)試驗、正弦掃描振動試驗、隨機振動試驗以及沖擊試驗,離軌帆地面試驗典型工況如圖12 所示。

圖12 離軌帆地面試驗平臺Fig.12 The ground test platforms for drag sail device

在真空熱循環(huán)試驗以及力學環(huán)境試驗后對離軌帆整機結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)完好性檢測以及功能性試驗。環(huán)境試驗結(jié)果顯示離軌帆裝置設計合理可靠,在環(huán)境試驗中能夠保持結(jié)構(gòu)完整性以及良好的功能性。

5 總結(jié)

本文針對“太原號”八一03 星離軌要求設計了一種模塊化立方星增阻離軌帆裝置,主要工作包括:

1)確定“太原號”八一03 星輔助增阻離軌帆裝置的總體方案。 離軌帆結(jié)構(gòu)主要由側(cè)板、驅(qū)動組件、解鎖組件、帆膜儲箱及帆膜等構(gòu)成。 離軌帆裝置通過壓緊機構(gòu)防止中心轉(zhuǎn)軸誤解鎖導致卷尺在儲箱內(nèi)部膨脹卡死,同時對卷尺的運動起到一定的導向作用。 解鎖裝置采用熔斷式解鎖,由彈簧,鎖緊夾塊,纖維繩,熱刀組成,通過控制側(cè)板以及中心軸的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對離軌帆結(jié)構(gòu)的控制。

2)利用Abaqus 有限元軟件分析了卷尺彈簧彎曲時的位移—彎矩曲線,獲得了卷尺彈簧的臨界屈曲載荷以及展開彎矩的大小。

3)利用3D 打印技術(shù)進行了迭代設計并完成了機加工的樣機制作,進行了地面熔斷解鎖試驗以及地面展開試驗,驗證了離軌帆裝置結(jié)構(gòu)設計的合理性及可靠性。

4)完成了離軌帆裝置主體結(jié)構(gòu)的機加工以及裝配,開展驗收級力學試驗及熱真空試驗,驗證了離軌帆在真空熱環(huán)境以及運輸、發(fā)射力學環(huán)境下的可靠性。

5)完成了“太原號”八一03 星與輔助增阻離軌帆裝置的集成以及成功發(fā)射入軌,目前在軌狀態(tài)良好。