高低溫環(huán)境對彈簧分離裝置輸出性能影響的試驗研究

吳 昊，王金童

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

嫦娥五號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走的最后一步，將實現(xiàn)月面軟著陸和自動采樣返回。嫦娥五號是目前國內(nèi)最復雜的航天探測器，任務中許多高難度環(huán)節(jié)都是首次實施。

嫦娥五號探測器中著陸上升組合體與軌道器的分離、軌道器支撐艙與推進儀器艙的分離以及軌道器對接艙與推進儀器艙的分離均是由彈簧分離裝置(彈簧推桿)輸出分離能量。根據(jù)任務需求，彈簧分離裝置將經(jīng)歷3個月-80 ℃～90 ℃的深空熱環(huán)境；由于軌道器一側朝陽，一側背陰，分離面同組彈簧分離裝置工作時所處的溫度存在差異[1]。因此彈簧分離裝置溫度敏感性研究，即研究高低溫環(huán)境對彈簧分離裝置輸出性能的影響是精確控制分離體的分離速度和分離姿態(tài)，實現(xiàn)高可靠分離的必要工作，對保證嫦娥五號任務成功至關重要，對其他型號彈簧分離裝置的設計也有一定的指導作用和借鑒意義。

本文主要采用試驗的方法，研究彈簧輸出性能隨溫度的變化規(guī)律及高低溫長期貯存對彈簧輸出性能的影響。

1 彈簧輸出性能隨溫度的變化規(guī)律

彈簧是彈簧分離裝置中的供能元件，當彈簧分離裝置結構設計確定后，壓彈簧的工作壓縮量和安裝壓縮量便已確定，且不會受溫度影響。

從彈簧的力—位移曲線圖(見圖1)可知，彈簧輸能量為陰影部分面積[2]：

Es=(F2P′+F1P′)×(F2-F1)×0.5=0.5(F22-F12)P′

式中：P′為彈簧剛度；F2為彈簧工作壓縮量；F1為彈簧安裝壓縮量。

圖1 彈簧力—位移曲線圖

研究彈簧輸出性能隨溫度的變化規(guī)律即探索彈簧剛度P′隨溫度的變化規(guī)律。

1.1 試驗方法

(2)選取5個測試溫度點：-95、-40、20、50、105 ℃；

(3)選取5個不同的壓縮量：1、18、36、54、71.1 mm；

(4)在每個測試溫度點測試彈簧在上述5個壓縮量下的彈簧力值：測試前，保溫時間2 h；測試時，試驗件處于保溫箱內(nèi)；試驗件測試狀態(tài)如圖2所示，測試設備精度為±1 N；

圖2 試驗件測試狀態(tài)

(5)為減小誤差，每個壓縮量均進行三次進程測試和三次回程測試，最終的彈簧力值取六個測試值的平均值；

1.2 試驗結果

表1 不同溫度下的彈簧剛度測試值 N/mm

圖3 4個彈簧分離裝置試驗件的曲線

1.3 試驗結果分析及驗證

彈簧剛度計算公式[3]：

(1)

式中：P為彈簧力,N；F為彈簧壓縮量，mm；G為彈簧材料切變模量,MPa；d為彈簧絲徑,mm；D為彈簧中徑,mm；n為有效圈數(shù)。

(2)

即

GT1a-GT2a=-4×10-3(T1-T2)

(3)

(4)

(5)

已知d=7 mm，D=50 mm，n=14，求得

k=-23 MPa/℃

(6)

在實際應用中，為方便求得GT1，可令T2=0，GT2=71 000 MPa，則

GT1=(71 000-23T1) MPa

(7)

用式(7)計算得到的T1=150、200、250 ℃時的GT1值與標準中的建議值進行對比，如表2所示。兩者吻合度極好，表明上式具有較高的工程使用價值。

表2 溫度為150、200、250 ℃時GT1公式計算值與

將式(7)代入式(1)，回歸到彈簧剛度P′的計算，得出P′隨溫度T的變化關系為

(8)

2 高低溫長期貯存對彈簧輸出性能的影響

研究貯存溫度對彈簧分離裝置輸出性能的影響，主要考慮處于工作壓縮狀態(tài)的彈簧長期處于高溫或低溫環(huán)境中，其剛度的變化情況。

2.1 試驗方法

(2)使用圖4中的壓板工裝使試驗件中的彈簧處于工作壓縮狀態(tài)(即壓縮量為工作壓縮量F2)；

圖4 試驗件工作壓縮狀態(tài)示意圖

(3)將1#試驗件置于105 ℃環(huán)境中貯存3個月，2#試驗件置于-95 ℃環(huán)境中貯存3個月；

2.2 試驗結果

表3 高低溫貯存前后彈簧剛度變化情況

3 結 論

通過著陸上升組合體彈簧分離裝置壓縮彈簧在不同溫度下的剛度測試試驗，得出彈簧剛度隨溫度的變化關系，進一步推導出不銹鋼絲剪切模量G的溫變系數(shù)及特定溫度下剪切模量的計算公式，擴大了應用范圍，并驗證了其工程實用價值；通過高低溫長期貯存后剛度對比試驗，證明了高低溫長期貯存不會影響彈簧分離裝置輸出性能。上述試驗結果已應用于嫦娥五號探測器分離仿真分析中，對精確控制分離體的分離速度和分離姿態(tài)，實現(xiàn)高可靠分離，保證嫦娥五號任務成功起了重要作用，后續(xù)將擴展應用到其他型號中。