一種三單元立方體衛星分離裝置的機械設計

賈磊朋 劉建

摘 要：立方星作為一種微納衛星，具有成本低，功能密度大，研制周期短，入軌快的等特點，被廣泛應用于大學開展航天科學研究和教育。其通過組網形成星座，可以實現對海洋、大氣環境、船舶、航空飛行器等的監測。本文主要包括立方星和分離機構的發展和發展現狀的簡介，并從工作原理、機械結構兩方面進行簡單的介紹。釋放分離裝置主要由矩形框架、彈簧機構、門鎖機構、控制電路及與運載器之間的電氣和機械接口組成.

關鍵詞：立方星；航天科學；分離裝置

1 研究背景

隨著社會的進步和科技的發展，微電子、微機械、納米等技術的發展和衛星設計的創新，小衛星技術日新月異，小衛星產業也逐漸成為世界航天活動高速發展的主要驅動力和重要發展領域，正孕育著未來航天發展的重大變革。立方星作為國際上廣泛用于大學開展航天科學研究和教育的一種小衛星，因為其具有成本低、功能密度大、研制周期短、入軌快等優勢，并能通過組網形成星座，可以實現對海洋、大氣環境、航空飛行器、船舶等的監測，從而發展迅速。

國際上習慣把質量小于一頓的衛星稱為小衛星。最早在1999年，美國斯坦福大學教授湯姆肯尼對皮衛星提出了一種新概念—立方星，其重量1千克，體積為100mm×100mm×100mm，也叫作1U，由若干顆立方星即若干個U可以組成立方體納衛星，從那以后，立方星和立方體納衛星則得到了迅速發展。下表列出了一些立方星按質量的分類標準。

目前國內外已有近100顆微小星發射入軌，被廣泛應用于大學開展航天科學研究與教育，在立方星釋放機構方面我學習和了解了立方星發射歷史上的多個經典案例，如下圖所示：

2 分離裝置工作原理

立方體衛星釋放分離機構是裝載衛星后搭載著運載火箭進入太空的，當裝置到達預定軌道，此時運載方發射一個分離信號，控制門鎖機構打開艙門，艙門解鎖后在扭簧的作用下沿著艙門轉軸轉動100 度至抱剎機構工作，此時艙門完全打開，由于動力彈簧的作用，底托裝置沿導軌從裝置底部推動立方星至頂端，此時立方星完全脫離分離裝置，完成部署。

3 機械結構設計

3.1 動力彈簧設計

動力彈簧是立方星與分離裝置實現分離的儲能零件，主要作用是在運載器攜帶分離裝置入軌后將儲能釋放出來，實現分離。釋放分離裝置長寬比較大，所以分離彈簧行程較長。援助彈簧具有精密的調節性能，柔軟性能較好，容易制造，結構緊湊，能量利用率高，完全適合分離所需分離彈簧的要求。在不考慮分離彈簧彈性阻尼、艙門轉動摩擦力、立方星與導軌間的摩擦力以及艙門對立方星干涉作用等前提下，分離彈簧的彈性勢能全部轉化為立方星的動能，由能量守恒原理，有如下關系：

式中k為動力彈簧的彈性系數；x為動力彈簧初始壓縮量，F為分離彈簧初始壓力，m為立方星的質量，v為立方星初始分速度。當立方星分離機構總裝完成后，立方星的質量m固定，為使立方星初始分離速度滿足技術指標要求，可以通過分離彈簧剛度k和初始壓縮量x的設計來保證。

3.2 裝置的主承力框架

釋放分離機構主干部分是一個矩形框架，主要由橫梁和立柱底蓋搭建而成。通過標準立方星的大小，確定方形橫梁的基本尺寸，保證立方星能夠成功容納于分離裝置。這種由幾部分成功搭建的矩形框架，比較容易進行測試、調試、修改。主承力框架由上示橫梁及底板和立柱搭建而成，四個立柱互不相同，最右邊兩個立柱內側則附有導軌，以保證衛星的‘零障礙滑動，三個中間的橫梁設計則完全一致。

3.3 滑動底托設計

底托裝置在衛星與分離裝置分離過程中起著直接推動作用。其與底蓋之間用彈簧相連，底托主要由上底托板、下底托板、四個底托支撐及四個3×8×8的軸承和彈簧、墊片組成。對角的兩個底托支撐則一致，兩個裝軸承的底托支撐中，其中一個加彈簧增加彈力，一個加墊片保持厚度，這樣就能夠保證底托在矩形框架內的導軌上已微小摩擦滑動，這樣的設計也保證了調試的方便。

3.4 阻車機構和抱剎機構設計

當艙門關閉，電磁鎖處于鎖死狀態時，衛星底托處于最下方，且此時動力彈簧處于壓縮狀態，同時阻車機構處于阻車狀態：衛星在分離機構內不受動力彈簧的作用。

針對三單元立方體分離裝置，其阻車機構由長螺紋桿，小彈簧、阻車塊及螺母組成。由于三單元分離裝置分離前高度為415mm，考慮到國內對于過長螺紋桿的加工水準，特別地，將長螺紋桿設計成兩段不等長度的螺紋桿，中間采用內螺紋筒鏈接。在靠近螺紋桿的立柱上，其與每個橫梁的連接點附近設有防止阻車塊的槽，共計四個，通過螺紋桿串聯，穩定在特定槽內。在每個阻車塊上下兩端，通過四個螺母，形成兩對對頂螺母，下端的螺母與阻車塊之間加一彈簧，防止阻車塊上下活動，影響阻車效果。

當艙門開啟釋放衛星時，在艙門轉動過程中，阻車機構仍然處于阻車狀態，這樣的設計保證了艙門在未完全開啟時，不會與衛星發射碰撞，有效地防止了發射事故。當艙門完全開啟，卡門器處于工作狀態時，阻車塊阻車失效導軌完全光滑，被壓縮的動力彈簧在彈性勢能的作用下，將衛星送離分離機構，使其進入預定軌道。

3.5 電磁鎖設計

衛星在同運載器進入太空，到與分離裝置分離前，都是安裝在分離裝置內。艙門利用電磁鎖將其鎖死，防止在運載過程中意外打開，導致發射任務失敗。艙門的開關由電磁控制，通電前，鎖吸快和電磁鐵相吸，當電磁系統提供電源后，失電型電磁鐵失去磁性，鎖吸快在彈簧的拉力作用下被拉向兩側。同時，由于杠桿作用原理，電磁鎖上的軸承脫離頂蓋前端的卡槽，頂蓋在頂蓋轉軸中部扭簧以及頂蓋內側彈力彈簧的雙重作用下，繞頂蓋轉軸旋轉打開，當頂蓋轉動到一定角度，抱剎機構生效，衛星順利彈出。頂蓋上的電磁鎖卡槽設計成可以360度轉動的形式，當鎖吸快任意一塊失去磁性，即任意一個鎖軸承脫離卡槽，艙門即會開啟，這樣保證了艙門開啟額可靠性，減少了不必要的事故隱患。

3.6 蒙皮設計

蒙皮是對主體框架的包裝，一方面顯得美觀大方，另一方面，蒙皮也是機械結構設計中不可或缺的一部分。蒙皮的設計保證結構簡單，便于拆卸和組裝，同時也需要盡可能減少質量，增加整個釋放分離系統的可靠性。針對三單元立方星分離機構，蒙皮主要固定到分離機構的立柱上，通過部分連接件以及螺紋孔進行螺紋連接。特別的，由于三單元分離裝置中部有兩層立方塊，其蒙皮設計完全相同。蒙皮與分離裝置的立柱之間通過螺紋固定連接，同時考慮到溫度對材料的影響，蒙皮設計采用航空鋁材材料，加強了其結構的穩定性。

3.7 釋放分離機構和運載器之間的連接設計

釋放分離機構攜帶立方星必須搭載運載火箭才能順利進入軌道，而運載器與分離裝置之間的連接也是分離裝置設計過程中的重要一部分。

如果運載器和分離裝置的的連接是直接和立柱或是橫梁連接的，由于分離機構小巧玲瓏，質量輕，功效大，這勢必會使其發生變形，一定程度上影響影響衛星的成功分離[14]。因此，我們設計采用了連接件來保證分離裝置與運載器之間的安全連接。考慮到發射過程中，運載器和釋放分離機構與空氣之間的一系列震動問題，連接件我們選用了鈦合金材料，這樣保證了一定的強度和硬度，防止了因震動松動或是材質差而導致的變形，影響正常的發射分離。

4 總結

1）隨著科技的進步，學者們對微小衛星的研發有了顯著的成果，但是針對衛星發射所需求的分類裝置，由于缺乏合適的星箭分離裝置，而一定程度上限制了立方星領域的發展。也正是由于釋放分離裝置的原因，以及航天飛行器的發射環境條件和其他外部因素，從而導致了大多立方星的發射事故，顯然，立方星的發射成功與否，很大程度上與釋放分離機構有著必然的聯系。

2）該三單元立方體衛星分離裝置的成功應用，還需進行一系列的試驗、仿真等改進過程，比如還需進行熱真空試驗，有限元模擬仿真，靜力學分析等等，在進一步的設計試驗還需較長一段時間的工作開展。

參考文獻

[1]張佼龍，周軍.立方星星箭分離機構運動系統的設計與驗證[J].光學精密工程，2017，25（04）：387-395.

[2]林來興.立方體星的技術發展和應用前景[J].航天器工程，2013，22（03）：90-98.

[3]姚敏、趙敏.微小衛星智能化星務系統關鍵技術研究.南京航天航空大學.2008.TP301.6

[4]張佼龍，周軍.立方星星箭分離電磁解鎖機構[J].光學精密工程，2018，26（03）：606-615.