小衛(wèi)星總裝安全性改進(jìn)典型案例及其啟示

何振東 邱增帥 沈群 劉世佳 郭瑞振 張少渤 陳倬

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

小衛(wèi)星具有低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、研制周期短等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于通信、氣象、導(dǎo)航、科研等領(lǐng)域[1-3]。隨著小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展與迭代，小衛(wèi)星在構(gòu)型布局、平臺(tái)設(shè)備、有效載荷設(shè)備上都有很多新技術(shù)、新設(shè)備和新材料的應(yīng)用[4-5]。因此，總裝過程中復(fù)雜性和不確定性隨之增加，安全事故發(fā)生的概率也呈上升趨勢[6-8]。星表突出物防護(hù)問題，多余物防控問題，新型產(chǎn)品總裝困難、安裝一致性差，工具工裝迭代慢不能滿足總裝安全性需求等問題，對小衛(wèi)星總裝、集成與測試(AIT)過程中的產(chǎn)品安全性、過程可控性、總裝可靠性都提出新的挑戰(zhàn)，原有的安全性措施已無法完全滿足小衛(wèi)星總裝過程的安全性需求。

為適應(yīng)各類小衛(wèi)星的總裝要求，保障衛(wèi)星在AIT過程中的安全，需要制定安全性保障措施，尤其對于應(yīng)用新技術(shù)、新設(shè)備、新材料的小衛(wèi)星[9-10]。本文從工裝工具、工藝流程與操作步驟2個(gè)方面對總裝安全問題進(jìn)行研究，分析了小衛(wèi)星總裝過程安全性保障技術(shù)問題，并提出了相應(yīng)的解決措施，可為后續(xù)小衛(wèi)星總裝過程中的安全性提升提供參考。

1 安全性改進(jìn)典型案例分析

在小衛(wèi)星設(shè)計(jì)與3維工藝仿真階段，一部分總裝安全性問題無法準(zhǔn)確暴露，尤其一些細(xì)節(jié)性、影響小衛(wèi)星研制進(jìn)度與研制質(zhì)量的總裝安全問題無法準(zhǔn)確提前識(shí)別，往往在小衛(wèi)星總裝實(shí)施階段才能發(fā)現(xiàn)。為保障小衛(wèi)星總裝工作順利進(jìn)行，迫切需要研究與梳理出總裝安全性問題并提出解決思路。根據(jù)總裝安全性典型問題的屬性、特點(diǎn)、解決方向，本文將小衛(wèi)星安全性改進(jìn)典型案例分為工裝工具類、工藝流程與操作步驟類。

1.1 工裝工具研發(fā)與升級

在小衛(wèi)星總裝過程中,工裝工具的設(shè)計(jì)水平直接關(guān)系著總裝操作的便利性、安全性和可靠性。由于現(xiàn)有工具不能滿足超薄碳纖維結(jié)構(gòu)板總裝安全性要求，鈰玻璃鍍銀二次表面鏡(OSR)片保護(hù)裝置不能滿足小衛(wèi)星產(chǎn)品的安全性需求，因此需要針對碳纖維結(jié)構(gòu)板的總裝工具、OSR片保護(hù)工裝進(jìn)行研發(fā)與升級。

1.1.1 超薄碳纖維結(jié)構(gòu)板總裝工具改進(jìn)

當(dāng)前，采用超薄碳纖維結(jié)構(gòu)板的小衛(wèi)星越來越多，這些結(jié)構(gòu)板的定位銷為一體化銷釘，其工具接口形式為一字螺絲刀接口，并且結(jié)構(gòu)板安裝螺釘頭部突出結(jié)構(gòu)板。結(jié)構(gòu)板總裝時(shí)，工具頭部易與一體化銷釘、緊固件滑脫，工具頭部活脫后很難進(jìn)行控制，磕碰星體及設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)加大。目前，超薄碳纖維結(jié)構(gòu)板的安裝沒有專用工具，都是采用如圖1所示的現(xiàn)有工具與一體化銷釘接口。工具防滑脫風(fēng)險(xiǎn)控制主要依賴工人操作技能、操作規(guī)范性和工作責(zé)任心，不確定性較大，因此研制一種專用工具十分必要。本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)板總裝工具頭限位器，在原有的工具頭部增加了防滑脫金屬套筒。金屬套筒采用不銹鋼管材，防滑脫金屬套筒內(nèi)徑與緊固件外徑相匹配，兩者為間隙配合，間隙量一般為0.10～0.25 mm，便于工具與緊固件配合的同時(shí)能保證工具頭防滑脫；防滑脫金屬套筒伸出工具頭部尺寸按所擰緊螺釘頭部的高度匹配，前者比后者小0.2～0.3 mm，既能保證工具頭防滑脫，又能防止限位套筒劃傷結(jié)構(gòu)板，如圖2所示。另外，套筒表面涂覆硅膠或采用噴砂處理，實(shí)現(xiàn)防滑效果，便于使用。

圖1 工具接口

圖2 改進(jìn)后的總裝工具

通過在普通工具安裝結(jié)構(gòu)板總裝工具頭限位器，超薄碳纖維結(jié)構(gòu)板總裝過程中因工具磕碰星體、設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。

1.1.2 OSR片保護(hù)工裝升級

OSR片是小衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)散熱組件的重要組成部分，其材料為鈰玻璃鍍銀二次表面鏡，外力下極易破損，因此在小衛(wèi)星AIT中OSR片要做好防磕碰措施。當(dāng)前OSR片防護(hù)裝置材料為紙泡沫夾層板(見圖3)，不能滿足小衛(wèi)星產(chǎn)品的安全性需求。紙泡沫夾層板存在以下不足：紙泡沫夾層板材料不防靜電，使用時(shí)靜電累積放電對星上設(shè)備安全造成隱患；3M膠帶重復(fù)粘貼，膠面污染后，固定方式不可靠，紙泡沫夾層板易脫落，造成防護(hù)失效，運(yùn)輸時(shí)受到運(yùn)輸沖擊環(huán)境，紙泡沫夾層板脫落，會(huì)造成包裝箱內(nèi)多余物，星體設(shè)備容易受到磕碰；小衛(wèi)星熱控實(shí)施后，紙泡沫夾層板的安裝方式不能滿足使用需求，導(dǎo)致OSR片存在安全隱患；3M膠帶大量使用，增加小衛(wèi)星研制成本。

圖3 OSR片紙泡沫夾層板防護(hù)

研發(fā)升級新型OSR片保護(hù)裝置，需要具備以下特點(diǎn)：材料防靜電，使用時(shí)不會(huì)累積靜電放電，避免星上設(shè)備存在靜電損傷隱患；主要材料密度小，裝置整體質(zhì)量小，使用時(shí)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板不額外過多承重；具有足夠的強(qiáng)度，有外力磕碰時(shí)，防護(hù)裝置能起到減緩撞擊；安裝方式可靠，能滿足運(yùn)輸需求，可全時(shí)段安裝；可重復(fù)使用，成本低。綜合選材，防靜電瓦楞板滿足防靜電、密度小、具有足夠強(qiáng)度和成本低的要求，其內(nèi)部為特殊的中空結(jié)構(gòu)，遇到局部撞擊時(shí)，表層面板可吸收減緩沖擊，起到板下ORS片的保護(hù)作用，可作為OSR片保護(hù)裝置主材料。

新型OSR片保護(hù)裝置(見圖4)安裝采用螺接方式，在瓦楞板上鑲嵌玻璃鋼環(huán)形墊片，玻璃鋼墊片位置與星上預(yù)留的螺孔位置匹配，用螺釘將瓦楞板安裝在星體上即可；安裝螺釘可測力點(diǎn)膠防松，滿足運(yùn)輸需求。新型OSR片保護(hù)裝置安裝拆卸不受星上多層隔熱組件或其他設(shè)備影響，可全時(shí)段進(jìn)行拆裝。新型OSR片保護(hù)裝置的所有材料均可重復(fù)使用，在完成某一衛(wèi)星防護(hù)后，可根據(jù)需求改造為其他產(chǎn)品的保護(hù)裝置。裝置的主要材料采用紅色或藍(lán)色，與小衛(wèi)星表面顏色形成反差，對現(xiàn)場人員起到提醒作用，可有意識(shí)地對OSR片進(jìn)行保護(hù)。

圖4 OSR片防靜電瓦楞板防護(hù)

新型OSR片保護(hù)裝置具有材料防靜電、質(zhì)量小、強(qiáng)度大、安裝方法簡單可靠、安裝效果美觀、可滿足運(yùn)輸需求、可全時(shí)段安裝和材料可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，使OSR片的磕碰風(fēng)險(xiǎn)大幅降低，產(chǎn)品安全得到保障。新型OSR片保護(hù)裝置也可用于加熱器、熱控涂層的保護(hù)，應(yīng)用場合多。

1.2 工藝流程與操作步驟優(yōu)化

科學(xué)合理的工藝是小衛(wèi)星總裝質(zhì)量的決定因素。多余物防控問題始終貫穿小衛(wèi)星的整個(gè)研制過程，其中，指向隔振機(jī)構(gòu)是小衛(wèi)星平臺(tái)的核心設(shè)備，其關(guān)鍵部位的多余物防控工藝，更是重中之重。另外，新型設(shè)備對總裝工藝的要求高，現(xiàn)有總裝工藝技術(shù)不能滿足新型設(shè)備安裝要求。因此，需要對工藝流程與操作步驟進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，保證小衛(wèi)星總裝過程可控，結(jié)果可靠。

1.2.1 指向隔振機(jī)構(gòu)多余物防控改進(jìn)

指向隔振機(jī)構(gòu)是“三超”(超敏捷、超穩(wěn)定、超精度)衛(wèi)星平臺(tái)的核心設(shè)備，該設(shè)備的作動(dòng)桿與音圈電機(jī)主體之間存在1.5 mm間隙，如圖5所示。設(shè)備工作時(shí)，作動(dòng)桿與音圈電機(jī)主體之間會(huì)產(chǎn)生軸向位移，設(shè)備腔體內(nèi)纏繞電磁線圈，作動(dòng)桿與音圈電機(jī)主體之間的間隙處無多余物防控措施。設(shè)備安裝后間隙開口成45°角朝上，在設(shè)備上方操作時(shí)，膠屑、多層碎屑、細(xì)小零件等多余物極易進(jìn)入設(shè)備腔體內(nèi)部，造成設(shè)備安全隱患。

圖5 作動(dòng)桿與音圈電機(jī)主體之間的間隙

指向隔振機(jī)構(gòu)的多余物防控形式可分為整體防護(hù)或關(guān)鍵部位局部防護(hù)。整體密封是為該設(shè)備制作并安裝防塵罩，將設(shè)備整體罩上形成整體封閉狀態(tài)。由于設(shè)備外觀不規(guī)則，設(shè)備裝星位置狹小，周邊電纜復(fù)雜，而且設(shè)備電連接器插接等工作時(shí)需要打開防塵罩,所以防塵罩安裝條件不足、制作困難，安裝拆卸困難。為此，可考慮關(guān)鍵位置局部防護(hù)。根據(jù)設(shè)備的工作特性，防護(hù)方法要同時(shí)滿足設(shè)備靜態(tài)和動(dòng)態(tài)防多余物需求；防護(hù)材料應(yīng)為透明，便于觀察設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)；防護(hù)材料應(yīng)具有較好的耐疲勞性能，設(shè)備長時(shí)間工作后，多余物防控裝置不失效。

考慮到作動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)特性和多余物防控位置形狀，指向隔振機(jī)構(gòu)的多余防控措施應(yīng)為動(dòng)密封與靜密封結(jié)合，設(shè)備工作和非工作狀態(tài)下均能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵位置防多余物要求。多余物防護(hù)裝置的主要材料可使用耐疲勞、透明、防靜電的滌綸樹脂(PET)膜料，規(guī)格可選擇寬50 mm、厚0.3～0.2 mm。多余物防護(hù)裝置制作步驟為：將PET膜料剪成刷子狀，用可靠方法將2層刷子相互交錯(cuò)，互補(bǔ)空缺固定在作動(dòng)桿上。指向隔振機(jī)構(gòu)工作時(shí)，多余物防控裝置的活動(dòng)端始終與音圈電機(jī)端面接觸，防止多余物進(jìn)入，如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)密封裝置

指向隔振機(jī)構(gòu)原有的多余物防控，主要依賴工藝提醒。改進(jìn)后的多余物防控裝置實(shí)施流程為：①指向隔振機(jī)構(gòu)第1次裝星前，安裝多余物防控裝置；②力學(xué)試驗(yàn)前后對多余物防控裝置進(jìn)行狀態(tài)檢查，應(yīng)固定牢靠；③熱試驗(yàn)前拆除多余物防控裝置，防止裝置影響設(shè)備散熱；④熱試驗(yàn)后安裝多余物防控裝置；⑤衛(wèi)星設(shè)置為最終發(fā)射狀態(tài)后拆除多余物防控裝置。指向隔振機(jī)構(gòu)的多余物防控裝置實(shí)施后，設(shè)備的多余物防控手段由被動(dòng)防控變?yōu)橹鲃?dòng)防控，設(shè)備的安全得到有力保障。

1.2.2 新型產(chǎn)品安裝工藝流程優(yōu)化

有些小衛(wèi)星的主有效載荷設(shè)備有特殊需求，如安裝面間安裝新型減振墊，如圖7所示。該型減振墊安裝壓縮量大，有效載荷安裝面外形尺寸大，分布有20多個(gè)新型減振墊，減振墊壓縮同步性要求高，壓縮一致性要求高?，F(xiàn)有總裝技術(shù)為單點(diǎn)對稱緊固，不能滿足新型減振墊安裝要求，安裝不妥會(huì)影響設(shè)備的減振效果和安裝可靠性。為保證新型減振墊安裝后有足夠的連接強(qiáng)度，并且具有一致的壓縮效果，減振墊同步壓緊應(yīng)為安裝的重點(diǎn)控制項(xiàng)。由于壓縮量大，正樣螺釘不能直接與安裝螺孔螺紋配合,減振墊壓縮前可先使用比正樣螺釘長的工藝螺釘進(jìn)行預(yù)壓緊，當(dāng)壓縮量達(dá)到一定量時(shí)安裝正樣螺釘。由于有效載荷安裝面尺寸大，為保證不同區(qū)域的減振墊壓縮過程同步，需要在每組減振墊位置分別分配1名總裝人員，按口令控制操作一致，保證所有減振墊壓縮過程的同步。因此，需制定合理的工藝流程與操作步驟，滿足新型產(chǎn)品安裝要求。有效載荷安裝面如圖8所示。

圖7 新型隔振墊

圖8 有效載荷安裝面

根據(jù)減振墊的壓縮特性，以及壓縮同步性要求，在主有效載荷設(shè)備安裝時(shí)，實(shí)施裝星總裝工藝流程改進(jìn)。①將工藝螺釘分別插入每組減振墊的中心位置，其余減振墊插入正樣安裝螺釘；②每名總裝人員就位于每組隔振墊位置；③對接過程中同步緩慢旋入工藝螺釘；④1名總裝人員為指揮，下達(dá)操作口令；⑤其他總裝人員在指揮下每旋轉(zhuǎn)90°為1個(gè)動(dòng)作單元緊固工藝螺釘，減振墊壓縮4 mm時(shí)停止操作；⑥手動(dòng)旋入其余正樣螺釘；⑦用正樣螺釘更換工藝螺釘；⑧總裝人員繼續(xù)在指揮口令下逐圈擰緊每組減振墊的中心位置螺釘，直到達(dá)到要求的擰緊力矩。通過安裝工藝流程的優(yōu)化，大安裝面下多隔振墊同步壓縮安裝問題得到解決，有效載荷設(shè)備安裝的減振效果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)備安裝可靠。

2 對后續(xù)總裝工作的啟示

本文從工裝工具研發(fā)與升級、工藝流程與操作步驟優(yōu)化2個(gè)方面對上總裝安全性問題進(jìn)行研究，研制了結(jié)構(gòu)板總裝工具頭限位器、新型OSR片保護(hù)裝置和指向隔振機(jī)構(gòu)多余物防控裝置，提出了大尺寸安裝面下的新型隔振墊安裝技術(shù)。

新研小衛(wèi)星的部分機(jī)構(gòu)或設(shè)備表面涂覆特殊涂層(透波膜料、導(dǎo)電涂層、熱控涂層等)，這些涂層易破損、潔凈度要求高，機(jī)構(gòu)或設(shè)備拆裝時(shí)，普通工具無限位措施，使用不當(dāng)，稍有不慎就會(huì)損壞或污染涂層。這些特殊涂層的安全性防護(hù)可從兩方面考慮：①對安裝工具進(jìn)行改造，減少拆裝過程中的損傷風(fēng)險(xiǎn)，工具改進(jìn)時(shí)可借鑒本文中工具研發(fā)升級的方法；②對特殊涂層設(shè)計(jì)防護(hù)裝置，從根本上杜絕損傷風(fēng)險(xiǎn)，防護(hù)裝置的研究設(shè)計(jì)思路可借鑒本文中新型OSR片保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)理念。

一些在研小衛(wèi)星有效載荷具有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，有效載荷機(jī)構(gòu)的末端設(shè)有高精度探測器，有效載荷在軌要實(shí)施機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度需要滿足探測器要求，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件受應(yīng)力容易變形。因此，在有效載荷總裝過程中，機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)要注意多余物防控，防止多余物造成機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)精度降低或機(jī)構(gòu)卡死；有效載荷結(jié)構(gòu)安裝時(shí)要保證結(jié)構(gòu)的無應(yīng)力安裝，防止應(yīng)力釋放對結(jié)構(gòu)造成損傷變形。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的外形復(fù)雜，組成運(yùn)動(dòng)副的2個(gè)零件或組件之間存在間隙，其多余防物控措施可借鑒本文中指向隔振機(jī)構(gòu)多余物防控工藝方法。載荷結(jié)構(gòu)的無應(yīng)力安裝工藝方法制定，可借鑒本文中大尺寸安裝面下的新型隔振墊安裝技術(shù)，對每個(gè)緊固件的緊固實(shí)施同步控制，動(dòng)態(tài)糾偏，直至滿足力矩要求。

3 結(jié)束語

本文針對小衛(wèi)星總裝中存在的典型安全性問題，制定了專用和通用的安全性保障措施，保證小衛(wèi)星在AIT過程中安全、可控，提高了小衛(wèi)星總裝可靠性和總裝效率，可為解決小衛(wèi)星總裝安全性相關(guān)問題提供參考。