新型柔索式桿束結(jié)構(gòu)壓緊釋放裝置

郭一竹，郭宏偉，李 瀟，王浩威，劉 冬

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 引 言

衛(wèi)星可展開天線、空間機(jī)械臂等大型空間機(jī)構(gòu)，其在發(fā)射狀態(tài)時(shí)收攏成桿束結(jié)構(gòu)[1]，利用壓緊釋放裝置將桿束結(jié)構(gòu)捆綁后固定在星體側(cè)面[2],入軌后釋放桿束結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)展開并工作。空間折展機(jī)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用使桿束結(jié)構(gòu)占用較小的空間，但各桿間為運(yùn)動(dòng)副連接，桿束運(yùn)輸及發(fā)射過程中需要被壓緊固定。壓緊釋放裝置壓緊桿束時(shí)要防止桿束發(fā)生變形，同時(shí)在桿束薄弱部位提供支撐，壓緊釋放裝置要能夠可靠壓緊各部件，不對(duì)桿束展開、作業(yè)及周圍部件產(chǎn)生不良影響。

目前，壓緊釋放裝置有爆炸螺栓、記憶合金、熱刀等方式。①爆炸螺栓存在沖擊大、成本高、有太空垃圾等問題[3-9]；②而形狀記憶合金沖擊小、可重復(fù)使用、無污染，但作動(dòng)時(shí)間長；③熱刀與柔索組成的壓緊釋放裝置無污染、沖擊小、組合形式靈活。

國外對(duì)采用熱刀加柔索式桿束壓緊釋放裝置的研究較多：美國Goddard航天飛行中心研發(fā)的微波各向異性探測器采用凱夫拉繩和兩個(gè)熱刀組成了太陽帆板壓緊釋放系統(tǒng)，在展開時(shí)使用熱刀切斷凱夫拉繩從而實(shí)現(xiàn)帆板展開；英國克蘭菲爾德大學(xué)空間研究中心研制的TechDemoSat-1衛(wèi)星采用凱夫拉包帶壓緊釋放裝置，使用作動(dòng)器剪斷凱夫拉繩釋放包帶；歐空局研發(fā)的Large Deployable Antenna(LDA)夾持裝置未采用包帶形式，而是采用剛性架支撐壓緊，其壓緊釋放裝置由火工品作動(dòng)，釋放預(yù)加載螺栓以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)展開。我國的“實(shí)踐”、“技術(shù)”系列衛(wèi)星、以及諸多國外衛(wèi)星等都采用了包帶式鎖解方式[10-14]。

本文針對(duì)空間機(jī)械臂、空間可展開天線等空間機(jī)構(gòu)在收攏狀態(tài)的桿束結(jié)構(gòu)壓緊與釋放問題，提出了一種基于柔性索捆綁壓緊與熱刀釋放的新型壓緊釋放裝置。建立柔索式壓緊釋放裝置鎖緊狀態(tài)的力學(xué)模型，分析靜態(tài)壓緊和考慮慣性載荷情況后繩索預(yù)緊力變化情況，提出滿足可靠壓緊的繩索預(yù)緊力設(shè)計(jì)值。基于質(zhì)量和剛度等效，設(shè)計(jì)機(jī)械臂桿束結(jié)構(gòu)力學(xué)等效件，最后進(jìn)行正弦與隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。

1 壓緊釋放裝置設(shè)計(jì)

1.1 桿束結(jié)構(gòu)

如圖1所示，機(jī)械臂的臂桿或桁架式折展天線機(jī)構(gòu)在收攏狀態(tài)時(shí)，桿件軸線相互平行形成桿束結(jié)構(gòu)。桿的兩端通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，桿與桿之間并未完全貼緊，并且桿束的截面形狀不規(guī)則，這為收攏狀態(tài)桿束機(jī)構(gòu)的可靠壓緊帶來了困難。

為了抵抗運(yùn)載器發(fā)射時(shí)的沖擊振動(dòng)，設(shè)計(jì)壓緊釋放裝置時(shí)，主要考慮以下因素：①被壓緊對(duì)象與星體可靠連接，變形程度不影響正常展開及工作；②壓緊釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作對(duì)航天器其他部件無不良影響。

1.2 壓緊釋放裝置原理

以機(jī)械臂壓緊為例，本文設(shè)計(jì)的壓緊釋放裝置通過凱夫拉繩捆綁機(jī)械臂桿件，桿件間連接固定支架承受壓緊力，釋放時(shí)通過熱刀切斷繩索來解除對(duì)桿件的約束。壓緊釋放裝置由支撐組件、收繩組件、熱刀組件、繩預(yù)緊組件4部分組成。

圖2 壓緊釋放裝置各部分安裝位置Fig.2 Assembly position of each mechanism component

凱夫拉繩繞過外側(cè)支架后兩端分別與繩預(yù)緊組件和收繩裝置連接，旋轉(zhuǎn)繩預(yù)緊組件上的螺母可調(diào)整凱夫拉繩張緊程度。在臂桿支架間接觸面處設(shè)計(jì)了“V”型突起和凹槽，用于支架相互定位，防止相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提高承載能力。“V”型突起與凹槽不影響臂桿展開運(yùn)動(dòng)。釋放時(shí)，先通電加熱熱刀組件，凱夫拉繩在局部加熱點(diǎn)處受拉破壞，渦卷彈簧利用儲(chǔ)存的能量帶動(dòng)卷收輪轉(zhuǎn)動(dòng)回收凱夫拉繩，從而避讓機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)壓緊釋放功能。繩預(yù)緊組件主要由預(yù)緊接頭、預(yù)緊螺母、滑輪、滾針軸承、軸與彈性擋圈等組成；熱刀組件由熱刀和支架組成；卷收裝置主要由卷收輪、預(yù)緊裝置、渦卷彈簧、凱夫拉繩組成；采用雙熱刀的形式可提高切斷可靠性。各組件及裝置如圖3(a)、(b)、(c)所示。

圖3 多桿鎖緊與釋放機(jī)構(gòu)主要機(jī)構(gòu)Fig.3 Main components of the multi-bar compaction and release mechanism

2 壓緊釋放裝置力學(xué)模型

機(jī)械臂在發(fā)射前通過對(duì)繩索施加預(yù)緊力將其壓緊。發(fā)射過程中，由于慣性加速度導(dǎo)致壓緊釋放機(jī)構(gòu)承受臂桿的慣性載荷，此時(shí)壓緊釋放機(jī)構(gòu)繩索張力、支座相互作用力發(fā)生變化達(dá)到新的平衡，因此需要在靜態(tài)和慣性載荷作用下，分別對(duì)壓緊釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模與分析。

2.1 靜態(tài)壓緊力建模

繩索拉力值為P，在忽略繩索與支架間摩擦的情況下可以認(rèn)為繩索各處力大小相同，P10為收繩組件與支架1間繩段張緊力，P13、P31為支架1、3間繩張緊力，P32為支架2、3間繩張緊力，各力滿足式(1),受力如圖4所示。

|P10|=|P13|=|P31|=|P32|=|P|

(1)

定義支架1、2所受正壓力分別為R1、R2，支架間垂直于、平行于接觸面的力分別為Fij、Ffij。本文將R2與豎直方向、F12與水平方向夾角暫定為30°，F(xiàn)32豎直向下，分析各桿及支架間的力，受力情況如圖5所示。

平面力系以x軸正向?yàn)檎颍×啬鏁r(shí)針方向?yàn)檎颍矫媪εc力矩平衡的齊次線性方程組如式(2)。

圖4 靜載下各支架受力分析圖Fig.4 Free-body diagram of the brackets under static load

圖5 各桿受力分析圖Fig.5 Free-body diagram of the bars

(2)

式(2)中，L2、L3、L5、L9、θ如圖4所示，L2為桿2截面圓心到繩外輪廓距離，L3為桿3截面中心到支架1、3接觸面距離，L5為桿2截面中心到支架1、2接觸面距離，L9為桿3截面中心到支架2、3接觸面距離，F(xiàn)12、F23、F13分別為支架1與2、2與3、1與3垂直于接觸面方向的壓力，R1、R2為支架1、2與底座間正壓力，F(xiàn)f12、Ff13、Ff23分別為支架1對(duì)2、1對(duì)3、2對(duì)3與各接觸面平行的作用力。各接觸面及柔性繩上的力需滿足壓緊釋放機(jī)構(gòu)中繩預(yù)緊力為正；因支架2與底座間平行于接觸面分力與垂直于接觸面分力比值大于0.15，因此考慮極限情況將各接觸面間的摩擦系數(shù)取為0.15。式(2)中各變量取值為：θ=11.11°、L2=96、L3=146.38、L5=165.86、L9=111.14，式(2)中各參數(shù)計(jì)算結(jié)果見式(3)所示。

(3)

2.2 考慮慣性載荷力學(xué)建模

在機(jī)構(gòu)隨運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)壓緊釋放裝置可能受任意方向慣性載荷，慣性載荷的范圍為10～20 g。根據(jù)各空間機(jī)構(gòu)慣性載荷范圍，本文暫定該壓緊釋放裝置承受的慣性載荷為20 g，分析其受力情況，如圖6所示。

圖6 慣性載荷下各支架受力分析圖Fig.6 Free-body diagram of the brackets under inertial load

設(shè)各根桿的慣性力為(Ii,Ij)=(Icosα,Isinα),|Ii|=I，(i=1,2,3)，與x軸正向夾角為α，設(shè)每根桿質(zhì)量為m，慣性載荷加速度為a，每根桿被兩套壓緊釋放裝置的相應(yīng)支架固定，則每個(gè)支架給桿的支持力為桿所受慣性載荷的一半，如式(4)所示。

(4)

通過平面力系力與力矩平衡的齊次線性方程組，計(jì)算凱夫拉繩所需最小拉力，如式(5)所示

(5)

式(4)中a=20 g、m=22 kg，其他取值同式(2)，可得式(5)的解如式(6)所示：

sinα[0 -1678.2 -251.74 -5235.3 1008.7

-1919.8 -219.06 -1885.7

-544.36 473.6 -413.31]T

(6)

式(6)中各力為正表明各桿均被有效壓緊、未發(fā)生分離。當(dāng)過載為20g時(shí)，得P≈13721 N，同時(shí)計(jì)算過載為10g及12g時(shí)總慣性力及最小繩索預(yù)緊力，結(jié)果如表1所示。

表1 典型過載情況最小繩索預(yù)緊力Table 1 Minimum preload of rope under typical overloads

分析各接觸力隨過載角度α與繩索預(yù)緊力P變化情況。如圖7(a)～(f)所示，各圖中的平面是接觸力大小為0的分界面，分界面以下說明接觸力小于0，壓緊釋放裝置會(huì)分離失效；當(dāng)繩索預(yù)緊力及其他接觸力在任意方向?yàn)檎当砻鲏壕o釋放機(jī)構(gòu)穩(wěn)定、未發(fā)生分離；各接觸面最大接觸力可為各桿及支座進(jìn)行強(qiáng)度校核提供依據(jù)。

圖7 各接觸力隨α及P變化情況Fig.7 Relationship of contact forces with α and P

3 機(jī)械臂等效件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)壓緊釋放裝置有效性的重要方法。機(jī)械臂在收攏狀態(tài)下的長度仍然較長，直接進(jìn)行全尺寸的試驗(yàn)難度較大。影響壓緊效果的因素主要包括被壓緊物體的質(zhì)量和剛度等特性。研究了以質(zhì)量和剛度等效為原則的試驗(yàn)件等效方法，通過將關(guān)節(jié)及臂桿等效為長度較短的實(shí)心桿結(jié)合質(zhì)量塊的形式，減小試驗(yàn)件的外包絡(luò)尺寸，從而降低進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的難度。

根據(jù)臂桿的構(gòu)型，將桿支架間部分等效為簡支梁，支架外部分等效為懸臂梁。

3.1 簡支梁等效分析

簡支梁重力及慣性力等效為局部力F，如圖8所示。

圖8 等效簡支梁Fig.8 Equivalent freely supported beam

(7)

式中:l0為等效前簡支梁長度;D1、l1為等效后簡支梁直徑及長度。等效前后簡支梁質(zhì)量差計(jì)算如式(8)所示。

(8)

式中：ρ0、ρ1分別為等效前后材料密度;m0、m1分別為等效前后桿件質(zhì)量。用質(zhì)量塊補(bǔ)償桿件質(zhì)量差Δm。質(zhì)量塊位于桿中部，確定實(shí)心塊長度l2，由式(9)可計(jì)算該實(shí)心質(zhì)量塊直徑D2。

(9)

簡支梁等效后如圖9所示。

圖9 簡支梁等效后示意圖Fig.9 Illustration of equivalent freely supported beam

3.2 外臂懸臂梁等效計(jì)算

外臂支架以外部分可等效為懸臂梁，如圖10所示。

圖10 等效懸臂梁Fig.10 Equivalent cantilever

懸臂梁等效前后剛度及質(zhì)量應(yīng)保持相同，k2=k3,m2=m3其中k2、m2為外臂懸臂梁等效前剛度、質(zhì)量，k3、m3為等效后剛度、質(zhì)量，若剛度及質(zhì)量相同得式(10)

(10)

式中：D2、d2、l2為等效前的桿外徑、內(nèi)徑、長度，D3、l3為等效后實(shí)心桿的外徑、長度。由式(10)計(jì)算得D3和l3，等效后如圖11所示。

圖11 懸臂梁等效計(jì)算結(jié)果Fig.11 Equivalent result of the cantilever

建立了等效后的機(jī)械臂試驗(yàn)件三維模型，如圖12所示。

圖12 等效試驗(yàn)件三維模型Fig.12 3D model of the mechanical equivalent test prototype

4 實(shí)驗(yàn)研究

研制了壓緊釋放機(jī)構(gòu)樣機(jī)以及等效試驗(yàn)件，進(jìn)行了X、Y、Z三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，頻譜設(shè)置為5～2000 Hz，時(shí)長2 min；進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的正弦振動(dòng)試驗(yàn)，頻譜設(shè)置為以5 Hz為間隔、從5～100 Hz，時(shí)長為2 min，量級(jí)圖如圖14所示。

圖13 正弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.13 Sinusoidal vibration test

圖14 正弦振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)圖Fig.14 Test magnitude of sinusoidal vibration

通過試驗(yàn)量級(jí)圖可知，在試驗(yàn)過程中振動(dòng)輸出的量級(jí)均在試驗(yàn)要求范圍內(nèi)，滿足試驗(yàn)頻譜要求，表明實(shí)驗(yàn)過程有效。在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)被壓緊的試驗(yàn)件進(jìn)行了監(jiān)測，未出現(xiàn)壓緊接合面分離。全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)壓緊釋放裝置樣機(jī)進(jìn)行了狀態(tài)檢查，繩索未發(fā)生松弛或斷裂，被壓緊的試驗(yàn)件之間壓緊良好，各支撐部件之間未產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、松動(dòng)或相對(duì)移動(dòng)，各部件完好、無損壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓緊釋放裝置樣機(jī)通過正弦和隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了壓緊釋放方案可行。

5 結(jié) 論

1)研制了新型柔性繩索式的桿束壓緊釋放裝置，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵功能部件，建立了壓緊釋放裝置的力學(xué)模型，分別對(duì)靜態(tài)預(yù)緊與動(dòng)態(tài)慣性載荷的工況進(jìn)行了計(jì)算，分析過載角度和繩索預(yù)緊力等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)被壓緊結(jié)構(gòu)之間作用力的影響，得到了在幾種典型過載狀態(tài)下的最小繩索預(yù)緊力。

2)為降低被壓緊桿束的外包絡(luò)尺寸以便于開展實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了基于質(zhì)量和剛度等效原則的試驗(yàn)件，解決了桿束結(jié)構(gòu)尺寸較長、振動(dòng)試驗(yàn)難度大的問題。

3)研制的壓緊釋放裝置樣機(jī)通過了正弦和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，表明所提出的柔索式壓緊釋放裝置能夠?qū)U束結(jié)構(gòu)可靠壓緊，可為其他多桿結(jié)構(gòu)的壓緊與釋放研究提供參考。