空間展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空-熱-力耦合試驗(yàn)方法研究

白宇君，田 欣，許怡賢，王浩威，劉麗霞，回天力，孫子杰，辛 亮，嚴(yán)振剛，李 強(qiáng)，唐小軍*

（1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部：北京 100094）

0 引言

展開(kāi)臂作為執(zhí)行衛(wèi)星功能的新型多關(guān)節(jié)空間機(jī)構(gòu)[1]，是驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星天線保證其姿態(tài)穩(wěn)定或?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行跟蹤的關(guān)鍵部件，也是衛(wèi)星天線反射器與衛(wèi)星星體的連接件、固定件和支撐件。展開(kāi)臂關(guān)節(jié)在軌工作過(guò)程中不但要承受空間環(huán)境中的真空、冷黑及太陽(yáng)輻射等極端環(huán)境因素[2-3]的耐久沖擊，還要承受展開(kāi)臂重量、各關(guān)節(jié)臂緊固連接引入的重量和附加彎矩等載荷，因此展開(kāi)臂關(guān)節(jié)在軌工作處于真空、熱和力的多場(chǎng)耦合之中[4-6]。

當(dāng)前，對(duì)于新研宇航產(chǎn)品，考核其在軌工作性能的最好方式是地面考核驗(yàn)證試驗(yàn)，一般分為驗(yàn)收級(jí)考核與鑒定級(jí)考核。對(duì)于新型展開(kāi)臂關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，為考核其在多場(chǎng)耦合環(huán)境下能否正常、精準(zhǔn)、有效地確保展開(kāi)天線的指向精度，并將天線運(yùn)送至指定位置，必須在地面研制階段進(jìn)行真空-熱-力耦合考核試驗(yàn)，驗(yàn)證展開(kāi)臂關(guān)節(jié)在極端環(huán)境下的各項(xiàng)性能。展開(kāi)臂真空-熱-力耦合試驗(yàn)是通過(guò)地面等效環(huán)境模擬展開(kāi)臂關(guān)節(jié)在軌工作經(jīng)受的真空、冷黑、太陽(yáng)輻射環(huán)境以及承受的負(fù)載力矩、慣量等，測(cè)量展開(kāi)臂關(guān)節(jié)表面溫度分布狀態(tài)及應(yīng)力形變特征，進(jìn)而考核展開(kāi)臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的在軌工作性能、熱變形及可靠性。

目前，真空環(huán)境與熱循環(huán)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)多采用熱真空環(huán)境模擬系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而力矩加載系統(tǒng)與熱真空系統(tǒng)是相互分離割裂的兩個(gè)系統(tǒng)。如何在復(fù)雜的熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)中引入力矩加載系統(tǒng)，精準(zhǔn)、有效地實(shí)現(xiàn)真空-熱-力的聯(lián)合加載，而又不干擾原有系統(tǒng)的試驗(yàn)精度，是真空-熱-力耦合試驗(yàn)的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的熱-力耦合試驗(yàn)[7-9]多為理論研究，且大多面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)、超聲速飛機(jī)等，沒(méi)有引入真空環(huán)境因素；若要引入真空環(huán)境，必須采用特定的設(shè)備和材料[10-11]。

為研究適用于空間展開(kāi)臂關(guān)節(jié)的真空-熱-力耦合試驗(yàn)方法，營(yíng)造切合在軌工作實(shí)際狀態(tài)的試驗(yàn)環(huán)境，考核展開(kāi)臂關(guān)節(jié)的在軌工作性能，本文考慮通過(guò)熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)完成對(duì)展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空、冷黑和太陽(yáng)輻射環(huán)境的模擬，同時(shí)通過(guò)外部定量慣量盤模擬施加展開(kāi)臂負(fù)載，再通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該試驗(yàn)方法的可行性。

1 真空-熱-力耦合試驗(yàn)技術(shù)原理

真空-熱-力耦合試驗(yàn)在現(xiàn)有熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)[12]基礎(chǔ)上引入力矩加載系統(tǒng)，力矩加載軸與熱真空罐體穿艙連接，其中慣量盤慣量經(jīng)減速器傳至扭矩傳感器對(duì)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行感知檢測(cè)，將外部力矩施加至熱真空罐體內(nèi)的產(chǎn)品端，以實(shí)現(xiàn)真空-熱-力耦合試驗(yàn)中的力負(fù)載施加，如圖1 所示。

圖1 真空-熱-力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的力矩加載系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of vacuum-thermal-mechanical coupling test system and torque loading system

真空-熱-力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)中的力矩加載系統(tǒng)包括罐外扭矩傳感器、減速器、聯(lián)軸器、慣量盤及力矩傳動(dòng)軸等，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相比很小，可以忽略不計(jì)。另外，扭矩傳感器、聯(lián)軸器為非剛體結(jié)構(gòu)，在傳遞扭矩的過(guò)程中會(huì)發(fā)生形變，導(dǎo)致傳動(dòng)環(huán)節(jié)兩端的角位移是不同的，因此可以把力矩加載系統(tǒng)的中間傳動(dòng)部分簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)慣量扭簧，其扭轉(zhuǎn)剛度為KL。由此可以認(rèn)為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)環(huán)節(jié)兩端的角度差之間存在線性比例關(guān)系[13]，其數(shù)學(xué)模型表示為

式中：TL為電機(jī)負(fù)載扭矩，N·m；KL為傳動(dòng)環(huán)節(jié)的扭轉(zhuǎn)剛度，N/m；θm為電機(jī)輸出角度，°；θr為被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，°；Km為減速器減速比；G為外部慣量，kg·m2。

根據(jù)力矩加載系統(tǒng)的工作原理得出加載電機(jī)、中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)和驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行Laplace變換，得到整個(gè)力矩加載系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2[13]所示。可以看出，系統(tǒng)以驅(qū)動(dòng)指令電壓Ud(s)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θr(s)為輸入，以實(shí)際加載的力矩TL(s)為輸出。對(duì)于線性系統(tǒng)的多輸入單輸出問(wèn)題，可以采用線性疊加的方法得出輸入與輸出之間的關(guān)系。因此，在Ud(s)和θr(s)同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí)，總輸出是兩輸出的線性疊加，故得力矩加載系統(tǒng)整體的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式[13]為

圖2 力矩加載系統(tǒng)工作原理[13]Fig.2 Working principle of torque loading system[13]

式中：G1(s)為驅(qū)動(dòng)指令電壓與實(shí)際輸出力矩之間的傳遞函數(shù)；G2(s)為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與實(shí)際輸出力矩之間的傳遞函數(shù)。它們的表達(dá)式[13]分別為：

其中：Rm為電樞回路總電阻，Ω；Lm為電樞回路等效總電感，H；Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Bm為電機(jī)阻尼系數(shù)；ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；KPWM為驅(qū)動(dòng)器功率放大系數(shù)；KT為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；KE為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。

2 展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空-熱-力耦合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依托真空-熱-力耦合試驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)完成展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空、冷黑和太陽(yáng)輻射環(huán)境的模擬，通過(guò)展開(kāi)臂關(guān)節(jié)試驗(yàn)平臺(tái)完成試驗(yàn)載荷的模擬施加。

熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)由真空容器、熱沉、真空抽氣系統(tǒng)、液氮制冷、氮?dú)饣販叵到y(tǒng)、紅外加熱裝置和測(cè)控系統(tǒng)等組成。根據(jù)展開(kāi)臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的最大包絡(luò)，選擇KM1 熱真空罐，其環(huán)境壓力可靠范圍≤1.3×10-3Pa，試驗(yàn)溫度范圍-80～120 ℃。

展開(kāi)臂關(guān)節(jié)熱-力耦合試驗(yàn)平臺(tái)分為罐內(nèi)和罐外兩部分，如圖3 所示。在罐內(nèi)冷板上安放關(guān)節(jié)產(chǎn)品，采用柔性雙膜片聯(lián)軸器將罐內(nèi)產(chǎn)品動(dòng)力輸出軸與罐外穿艙軸連接。罐外試驗(yàn)平臺(tái)包括磁流體密封裝置、穿艙軸、扭矩傳感器、減速器及外部慣量加載裝置，其中：采用直徑350 mm、厚23 mm 的鋼材圓盤作為定量慣量盤實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)外部負(fù)載慣量的施加，經(jīng)減速器對(duì)慣量放大（放大系數(shù)為1622?1）后，加載到軸上的慣量為6 059.4 kg·m2，慣量誤差為0.04%，滿足設(shè)計(jì)要求；扭矩傳感器量程為100 N·m，采集精度優(yōu)于±1%FS；穿艙軸直徑為50 mm，大直徑可避免穿艙軸產(chǎn)生撓度影響其水平度；慣量盤加載系統(tǒng)整體同軸度優(yōu)于0.01 mm；力矩加載穿艙軸與罐體間的密封采用磁流體密封裝置，使用冷卻水系統(tǒng)調(diào)控密封裝置內(nèi)部的阻力矩，以確保系統(tǒng)整體阻力矩小于0.5 N·m。

圖3 展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空-熱-力耦合試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Vacuum-thermal-mechanical coupling testbed for deployable arm joint

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)地面控制器控制關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；考慮關(guān)節(jié)在軌工作負(fù)載狀態(tài)，從零位到展開(kāi)鎖定的展開(kāi)角度行程約為90°。由于力矩加載軸的對(duì)中，磁滯流體密封間隙，轉(zhuǎn)接軸、穿艙軸和聯(lián)軸器安裝的偏差等均會(huì)引入一定的加載誤差，整體設(shè)計(jì)時(shí)須在慣量盤中扣除2.4 kg·m2，以便將偏差控制在允許范圍內(nèi)。

考慮驅(qū)動(dòng)組件低溫下啟動(dòng)時(shí)間偏長(zhǎng)、啟動(dòng)電流偏大，為盡可能減少驅(qū)動(dòng)組件正樣產(chǎn)品電機(jī)的使用，按照GJB 1027A—2005《運(yùn)載器上面級(jí)航天器試驗(yàn)要求》[14]確定熱控系統(tǒng)余量，展開(kāi)臂關(guān)節(jié)試驗(yàn)溫度控溫點(diǎn)選取在展開(kāi)臂關(guān)節(jié)表面上，溫度范圍-35～70 ℃，真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa，循環(huán)次數(shù)為9.5 次。依據(jù)此試驗(yàn)條件開(kāi)展展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空-熱-力耦合驗(yàn)證試驗(yàn)的溫度循環(huán)曲線如圖4 所示。

圖4 展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空-熱-力耦合溫度循環(huán)曲線Fig.4 Vacuum-thermal-mechanical coupling temperature cycling curve of the deployable arm joint

試驗(yàn)過(guò)程中展開(kāi)臂關(guān)節(jié)底部直接安裝在固定工裝上，關(guān)節(jié)底部工裝整體放置在熱真空罐的冷板上，產(chǎn)品放置于熱真空罐體中間，試驗(yàn)時(shí)可對(duì)加熱籠前、后、左、右及上方區(qū)域獨(dú)立開(kāi)啟控溫，控溫點(diǎn)粘貼在關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸和關(guān)節(jié)電機(jī)上。試驗(yàn)過(guò)程的真空度曲線和產(chǎn)品溫度曲線如圖5 所示。

圖5 展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空-熱-力耦合試驗(yàn)曲線Fig.5 Test curve of vacuum-thermal-mechanical coupling of deployable arm joint

從圖5 可以看出，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，真空度滿足≤6.65×10-3Pa 的要求，高溫端測(cè)試時(shí)，關(guān)節(jié)控溫點(diǎn)溫度在70.0～73.5 ℃之間；低溫端測(cè)試時(shí)，關(guān)節(jié)控溫點(diǎn)溫度在-35.0～-38.8 ℃之間，均滿足控溫容差（高溫0～4 ℃，低溫-4～0 ℃）要求。

3 真空-熱-力耦合試驗(yàn)結(jié)果分析

為考察慣量盤對(duì)力矩的影響，使用不同的慣量盤進(jìn)行試驗(yàn)扭矩調(diào)試測(cè)試。力矩隨慣量變化如圖6所示。可以看出，相同的產(chǎn)品在轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度的情況下，慣量越大，產(chǎn)品承受的扭矩負(fù)載越大。

圖6 扭矩隨慣量變化Fig.6 Torque changes with inertia

為考察真空-熱-力耦合試驗(yàn)的慣量加載是否符合試驗(yàn)需求，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中展開(kāi)臂關(guān)節(jié)承受負(fù)載力矩情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖7 和圖8 所示。從圖中可以看出，高/低溫環(huán)境下展開(kāi)臂關(guān)節(jié)A 實(shí)際負(fù)載力矩值基本在目標(biāo)值附近波動(dòng)，呈鋸齒狀，且波動(dòng)幅度小于5%。表明該力矩加載系統(tǒng)能將外部慣量精準(zhǔn)傳遞至產(chǎn)品上，而且能夠與熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)耦合，進(jìn)而證明該加載方法設(shè)計(jì)符合真空-熱-力耦合試驗(yàn)需求，有效、可行。

圖7 臂間關(guān)節(jié)A 熱真空試驗(yàn)高溫力矩Fig.7 High-temperature torque of arm joint A in thermal vacuum test

圖8 臂間關(guān)節(jié)A 熱真空試驗(yàn)低溫力矩Fig.8 Low-temperature torque of arm joint A in thermal vacuum test

為考察外部力矩加載系統(tǒng)穿艙加載對(duì)產(chǎn)品性能是否產(chǎn)生影響，對(duì)展開(kāi)臂關(guān)節(jié)高低溫環(huán)境下的工作電流進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖9 所示。從圖中可以看出，高/低溫環(huán)境下展開(kāi)臂關(guān)節(jié)工作電流均呈隨機(jī)狀波動(dòng)，高溫下波動(dòng)范圍為0.20～0.31 A，低溫下波動(dòng)范圍為0.95～1.15 A，均處于設(shè)計(jì)電流要求的安全范圍內(nèi)。表明第2 章所述真空-熱-力耦合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法滿足展開(kāi)臂關(guān)節(jié)試驗(yàn)需求，具切實(shí)可行性，加載精度高，控溫準(zhǔn)確且方便，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單。

圖9 臂間關(guān)節(jié)A 熱真空特征電流曲線Fig.9 Thermal vacuum characteristic current curve of arm joint A

為考察外部力矩加載系統(tǒng)與熱真空系統(tǒng)耦合試驗(yàn)方式對(duì)展開(kāi)臂關(guān)節(jié)性能是否有影響，對(duì)展開(kāi)臂關(guān)節(jié)試驗(yàn)前/后的啟動(dòng)力矩、啟動(dòng)平穩(wěn)后最高轉(zhuǎn)速及展開(kāi)精度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖10 所示。從圖中可以看出，采用該真空-熱-力耦合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)前/后展開(kāi)臂關(guān)節(jié)啟動(dòng)力矩、關(guān)節(jié)最高轉(zhuǎn)速以及展開(kāi)精度均無(wú)明顯變化；空間角度在23.714 8°～23.715 2°范圍內(nèi)變化，指向精度優(yōu)于0.001°。表明該真空-熱-力耦合試驗(yàn)方法能夠滿足展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空-熱-力耦合考核試驗(yàn)需求，切實(shí)可行。

圖10 試驗(yàn)前后關(guān)節(jié)性能參數(shù)對(duì)比Fig.10 Comparison of joint performance before and after the experiment

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于展開(kāi)臂關(guān)節(jié)真空-熱-力耦合試驗(yàn)技術(shù)的需求和要求，提出了一種適用于展開(kāi)臂關(guān)節(jié)的真空控溫聯(lián)合力矩耦合加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)該方法的加載有效性、加載精準(zhǔn)性、控溫精準(zhǔn)性及加載系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品的影響等進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：采用新設(shè)計(jì)的真空-熱-力耦合試驗(yàn)方法進(jìn)行展開(kāi)臂關(guān)節(jié)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中罐體真空度、溫度及控溫精度均滿足試驗(yàn)要求；高/低溫環(huán)境下展開(kāi)臂關(guān)節(jié)工作電流呈隨機(jī)狀波動(dòng)，波動(dòng)范圍均處于設(shè)計(jì)電流要求安全范圍內(nèi)；試驗(yàn)前/后展開(kāi)臂關(guān)節(jié)啟動(dòng)力矩、最高轉(zhuǎn)速以及展開(kāi)精度均無(wú)明顯變化，且指向精度優(yōu)于0.001°。綜上說(shuō)明，本文設(shè)計(jì)的真空-熱-力耦合試驗(yàn)方法滿足展開(kāi)臂關(guān)節(jié)試驗(yàn)需求，具切實(shí)可行性，且加載精度高，控溫準(zhǔn)確、方便，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單。