微小衛(wèi)星太陽翼鉸鏈展開過程同軸問題研究

韓瑋杰 尉瑞江 盆洪民 馮利明 孟慶昕

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300457）

0 引言

微小衛(wèi)星具有功能密度高、技術(shù)發(fā)展快、研制周期短、開發(fā)成本低以及部署應(yīng)用靈活等特點(diǎn)[1]，受到世界主要航天大國的重視，同時(shí)也被許多中、小發(fā)達(dá)國家和新興的發(fā)展中國家作為發(fā)展小衛(wèi)星技術(shù)的切入口[2]。

由于受運(yùn)載空間的限制，因此太陽電池翼在發(fā)射前全部是以折疊形式存放在整流罩中的。為了保證太陽翼順利展開，國內(nèi)外對太陽翼鉸鏈設(shè)計(jì)、鉸鏈裝配技術(shù)等方面進(jìn)行了大量研究。

國外對太陽翼鉸鏈機(jī)構(gòu)的研究起步相對較早，自20世紀(jì)60年代，國外的許多機(jī)構(gòu)和公司都對太陽電池翼鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究，并研制出多種類型的一次或多次機(jī)械式鉸鏈機(jī)構(gòu)[3]，且已具有相當(dāng)成熟的技術(shù)。國內(nèi)主要參照國外的成功案例進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，對鉸鏈展開過程的同軸度的研究較少。

通過模擬分析2018年、2019年某型號微小衛(wèi)星入軌后延遲問題發(fā)現(xiàn)，太陽翼鉸鏈的同軸度會(huì)嚴(yán)重影響太陽翼的順利展開。因此，該文對保證太陽翼順利展開的鉸鏈同軸度進(jìn)行研究。

1 太陽翼展開機(jī)構(gòu)鉸鏈自由轉(zhuǎn)動(dòng)同軸度理論分析

1.1 同軸度分析

為了方便說明同一側(cè)鉸鏈同軸度對轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，將上側(cè)鉸鏈暫定為A鉸鏈，下側(cè)鉸鏈暫定為B鉸鏈，如圖1所示。

圖1 微小衛(wèi)星太陽翼鉸鏈

轉(zhuǎn)動(dòng)軸在固定鉸和轉(zhuǎn)動(dòng)鉸中是間隙配合的，轉(zhuǎn)動(dòng)軸會(huì)在固定鉸中沿垂直太陽翼固定鉸安裝面的方向平行移動(dòng)或相對固定鉸轉(zhuǎn)軸安裝孔軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸也會(huì)相對轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行移動(dòng)或相對固定鉸轉(zhuǎn)軸安裝孔軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)平行移動(dòng)時(shí)，對同軸度的要求最高，因此分析平行移動(dòng)時(shí)A鉸鏈和B鉸鏈的同軸度。以A鉸鏈為例，根據(jù)鉸鏈組件零件配合尺寸圖（圖2）（固定鉸孔徑?7 mm（0，+0.022），轉(zhuǎn)動(dòng)鉸孔徑?7 mm（+0.05，+0.025），轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸徑?7 mm（-0.005，-0.02））的配合關(guān)系可知，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與固定鉸裝配時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與固定鉸軸孔單邊最小間隙為0.002 5 mm；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸裝配時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸軸孔單邊最小間隙為0.015 0 mm。

圖2 鉸鏈組件裝配

由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸與固定鉸配合孔之間的間隙為微米級，因此假定轉(zhuǎn)動(dòng)軸與固定鉸無相對運(yùn)動(dòng)，則轉(zhuǎn)動(dòng)鉸配合孔相對轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸向單邊最小間隙為0.015 mm，即A鉸鏈在轉(zhuǎn)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸同軸度為?0.03 mm的范圍內(nèi)可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)；同理，B鉸鏈在轉(zhuǎn)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸同軸度為?0.03 mm的范圍內(nèi)也可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

以A鉸鏈為裝配基準(zhǔn)，為了保證B鉸鏈裝配完成后2套鉸鏈能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須保證裝配完成后2套鉸鏈的同軸度滿足各自的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域且轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域有重合，如果沒有重合，就會(huì)出現(xiàn)2套鉸鏈卡死的情況，太陽翼基板無法順利展開，只有當(dāng)2套鉸鏈各自轉(zhuǎn)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸之間的單邊間隙小于或等于0.03 mm時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)A鉸鏈、B鉸鏈的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，即2套（A鉸鏈、B鉸鏈）鉸鏈自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)同軸度須小于或等于?0.06 mm。

為了保證太陽翼基板順利展開，就需要保證太陽翼機(jī)構(gòu)2套鉸鏈的同軸度滿足精度要求。在實(shí)際鉸鏈裝配過程中，為了使鉸鏈同軸度量化，采用控制2套鉸鏈同軸度在上述?0.06 mm圓的內(nèi)接四邊形范圍內(nèi)變化的方法，即通過2套鉸鏈水平方向偏差ΔM和豎直方向偏差ΔN來保證2套鉸鏈的同軸度。

1.2 展開最大同步距離

對2套鉸鏈同軸度的影響分為A、B鉸鏈固定鉸尺寸的偏差和裝配過程的偏差。最惡劣情況為ΔM=ΔN且滿足同軸度小于或等于?0.06 mm，即2套轉(zhuǎn)軸在水平方向偏差和豎直方向偏差不超過0.02 mm。要保證惡劣情況下的同軸度，就需要通過工藝措施來控制2套鉸鏈中的固定鉸的轉(zhuǎn)軸孔距底面和側(cè)邊的距離精度，從而控制2套鉸鏈軸孔對同一基準(zhǔn)的距離偏差，使其滿足同軸度小于或等于?0.06 mm的需求。

該文把保證太陽翼正常展開的2套鉸鏈轉(zhuǎn)軸的最大同軸度值稱為展開最大同步距離。

2 太陽翼鉸鏈裝配

為了保證太陽翼鉸鏈通過一次裝配就滿足同軸度的要求，設(shè)計(jì)了保證同軸度的工藝裝備，并在完成太陽翼鉸鏈的裝配工作后，對太陽翼的展開力矩進(jìn)行測試，驗(yàn)證太陽翼的展開性能是否良好，確保在軌順利展開。

2.1 太陽翼展開機(jī)構(gòu)鉸鏈展開最大同步距離驗(yàn)證

為保證A、B鉸鏈的同軸度滿足要求，在裝配過程中，要求工藝裝備固定鉸安裝面的2個(gè)凸臺面的平面度優(yōu)于0.01 mm，凸臺左側(cè)的靠面直線度優(yōu)于0.01 mm，最外側(cè)的工藝裝備邊緣相對凸臺靠面的平行度優(yōu)于0.01 mm。分別實(shí)測2組鉸鏈軸線到工裝邊緣水平距離M和豎直高度N，豎直水平距離各取4點(diǎn)，計(jì)算得到最大偏差ΔM、ΔN，驗(yàn)證是否滿足公式（1）。

分別測量N1、N2、N3、N4、M1、M2、M3和M4，取△Nmax與△Mmax帶入公式（1），如果滿足，那么2套鉸鏈的同軸度滿足展開最大同步距離的要求，2套鉸鏈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程無卡制。

該文分別對地面試驗(yàn)裝配、力學(xué)試驗(yàn)前整星裝配、力學(xué)試驗(yàn)后整星裝配以及發(fā)射場整星裝配4個(gè)過程中太陽翼同軸度進(jìn)行研究。

每次裝配前，先將鉸鏈A和鉸鏈B安裝在同軸度測試工藝裝備上，實(shí)測N1、N2、N3、N4、M1、M2、M3和M4，M值理論尺寸為8.5 mm，N值理論尺寸為14.5 mm，實(shí)測結(jié)果見表1～表4。

表1 M值與N值實(shí)測值（地面試驗(yàn)裝配）（單位：mm）

表2 M值與N值實(shí)測值（力學(xué)試驗(yàn)前整星裝配）（單位：mm）

表3 M值與N值實(shí)測值（力學(xué)試驗(yàn)后整星裝配）（單位：mm）

表4 M值與N值實(shí)測值（發(fā)射場整星裝配）（單位：mm）

2.1.1 地面試驗(yàn)裝配

△Mmax=0.01，△Nmax=0。將數(shù)值

帶入公式（1），得到0.02<0.06，2套鉸鏈同軸度滿足展開最大同步距離的要求。

2.1.2 力學(xué)試驗(yàn)前整星裝配

△Mmax=0，△Nmax=0.01。將數(shù)值帶入公式（1），得到0.02<0.06，2套鉸鏈同軸度滿足展開最大同步距離的要求。

2.1.3 力學(xué)試驗(yàn)后整星裝配

△Mmax=0.01，△Nmax=0。將數(shù)值帶入公式（1），得到0.02<0.06，2套鉸鏈同軸度滿足展開最大同步距離的要求。

2.1.4 發(fā)射場整星裝配

△Mmax=0.01，△Nmax=0。將數(shù)值帶入公式（1），得到0.02<0.06。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，4次太陽翼裝配后的2套鉸鏈同軸度均滿足展開最大同步距離的要求。

2.2 鉸鏈裝配后轉(zhuǎn)動(dòng)功能驗(yàn)證

每次調(diào)試好2套鉸鏈的同軸度后，將太陽翼與鉸鏈A、鉸鏈B安裝好，拆除同軸度調(diào)節(jié)工裝，將帶有鉸鏈的太陽翼安裝在太陽翼展開力矩測試的工藝裝備上，驗(yàn)證鉸鏈A與鉸鏈B的裝配滿足轉(zhuǎn)動(dòng)要求，測試太陽翼展開和收攏過程中的力矩，如果轉(zhuǎn)動(dòng)過程無卡滯，展開力矩?zé)o明顯波動(dòng)并在理論值范圍內(nèi)，就證明太陽翼可以在軌順利展開。

在展開力矩測試過程中，需要保證拉力方向垂直于太陽翼基板，通過移動(dòng)平臺勻速拉動(dòng)拉力計(jì)，拉動(dòng)方向與太陽翼展開或收攏方向一致，并記錄拉力計(jì)的最大讀數(shù)。

分別在3個(gè)位置（30 °、60 °和90 °）測試太陽翼的力矩。在每個(gè)位置對太陽翼施加外力矩M1和M2，使太陽翼分別在展開方向和收攏方向達(dá)到靜力平衡狀態(tài)，即可通過M1和M2計(jì)算得到展開力矩和摩擦阻力矩。太陽翼通過展收試驗(yàn)得到的展開力矩和摩擦阻矩如圖3所示。

在圖3中，還分別展示了太陽翼在4個(gè)不同階段裝配后實(shí)測的進(jìn)程剛度曲線和回程剛度曲線。在4張圖片中，太陽翼的進(jìn)程剛度與回程剛度的一致性很好。通過進(jìn)程剛度與回程剛度的關(guān)系計(jì)算得到摩擦阻矩，摩擦阻矩隨太陽翼展開有變小的趨勢，與摩擦阻矩設(shè)計(jì)值變化趨勢一致，說明太陽翼裝配可靠，精度滿足要求，展開過程順利無卡制。

圖3 展開力矩與摩擦阻矩變化曲線

3 結(jié)語

針對微小衛(wèi)星太陽翼在軌無法順利展開的問題，該文以典型的微小衛(wèi)星太陽翼鉸鏈為例，對保證太陽翼鉸鏈同軸度的條件進(jìn)行研究，給出了保證太陽翼順利展開的同軸度公差范圍的計(jì)算方法，提出了展開最大同步距離的概念，通過理論推導(dǎo)得出了該距離的計(jì)算公式。同時(shí)，在該理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了保證同軸度的工藝裝備，并在該基礎(chǔ)上對微小衛(wèi)星太陽翼裝配技術(shù)進(jìn)行研究，通過展開試驗(yàn)驗(yàn)證了該理論和裝配方法的可行性和有效性，提出雙軸甚至多軸太陽翼的裝配方法，為后續(xù)提高太陽翼裝配工藝技術(shù)提供了理論依據(jù)。并且，該裝配工藝方法已成功應(yīng)用到2顆衛(wèi)星太陽翼鉸鏈的裝配中，太陽翼在軌順利展開。該太陽翼裝配技術(shù)使太陽翼的裝配一次完成，減少了反復(fù)調(diào)整太陽翼、鉸鏈與衛(wèi)星之間的裝配關(guān)系的次數(shù)，節(jié)省了裝配時(shí)間，提高了太陽翼裝配工藝技術(shù)，滿足了后續(xù)微小衛(wèi)星太陽翼批量化生產(chǎn)的需求，適應(yīng)了航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要。根據(jù)該理論和方法還可以為多軸鉸鏈太陽翼機(jī)械部分結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)建議。