陶炯鳴 ，張春雨，蔣國(guó)偉，王 萌

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200030；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星的關(guān)鍵部件之一，負(fù)責(zé)為衛(wèi)星的運(yùn)行提供電源。目前大多數(shù)衛(wèi)星采用可展開式太陽(yáng)電池陣，在進(jìn)入預(yù)定軌道之后通過展開機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)彈簧使太陽(yáng)電池陣展開到位[1]。太陽(yáng)電池陣在展開過程中不斷加速，因此在到位鎖定時(shí)由于動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能會(huì)對(duì)衛(wèi)星本體或者與其直接連接的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊載荷，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)失控或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分功能失效，最終影響衛(wèi)星壽命。

其他相關(guān)研究和工程研制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在太陽(yáng)電池陣鎖定時(shí)刻的主要破壞形式為：繞根部鉸鏈轉(zhuǎn)軸方向的沖擊力矩過大導(dǎo)致衛(wèi)星本體和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)被破壞。因此本文通過試驗(yàn)的方法對(duì)太陽(yáng)電池陣根部鉸鏈在鎖定瞬間的應(yīng)變進(jìn)行采集，然后分析、處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取太陽(yáng)電池陣鎖定時(shí)產(chǎn)生的沖擊力矩，并將其與仿真分析的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而評(píng)估試驗(yàn)效果并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 仿真分析結(jié)果

某衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣由一個(gè)連接架和三塊基板組成，連接架和基板之間通過展開鉸鏈鉸接在一起（如圖1所示）。它們?cè)诎l(fā)射階段通過壓緊釋放裝置折疊收攏在衛(wèi)星的側(cè)壁上，進(jìn)入預(yù)定軌道后響應(yīng)解鎖指令，在鉸鏈內(nèi)驅(qū)動(dòng)彈簧的作用下展開并在規(guī)定位置鎖定。分析模型主要由星體、連接架、基板、展開鉸鏈4部分組成，仿真分析時(shí)分別考慮了在軌運(yùn)行和地面試驗(yàn)兩種環(huán)境，采用剛?cè)狁詈系慕７椒╗2]。在進(jìn)行地面試驗(yàn)環(huán)境下的仿真分析時(shí)加入了空氣阻力的影響，空氣阻力的模型簡(jiǎn)化為在每塊基板上施加一垂直于基板的集中力，其大小與基板的面積和展開速度相關(guān)[3]。兩種環(huán)境下的仿真分析結(jié)果如表1所示。

圖1 太陽(yáng)電池陣構(gòu)成Fig.1 The composition of solar cell array

表1 太陽(yáng)電池陣鎖定沖擊力矩仿真分析結(jié)果Table 1 The simulation results of solar array’s impact torque

2 試驗(yàn)方案及原理

試驗(yàn)實(shí)施方案為在太陽(yáng)電池陣模擬墻與根部鉸鏈之間串聯(lián)一個(gè)工裝，該工裝的兩端分別與模擬墻和根部鉸鏈連接，中間為一根矩形截面的測(cè)量桿，并在上面粘貼8個(gè)單向應(yīng)變片作為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。測(cè)量工裝的構(gòu)型及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置如圖2所示。

圖2 測(cè)量工裝及測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Measuring tool and the positions of measuring points

在圖2中的L1、L2處各布置4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，共8個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量桿在彎曲狀態(tài)下其截面上的彎矩mz為

式中：E為材料的彈性模量；b、h分別為桿截面的長(zhǎng)、寬；εn為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，n為測(cè)點(diǎn)號(hào)。

在實(shí)際測(cè)量過程中，為了盡量減少噪聲和讀數(shù)誤差，采用了惠斯登全橋測(cè)量電路[4]（如圖3所示），并放大了采集信號(hào)的數(shù)值。

圖3 全橋測(cè)量電路Fig.3 Full bridge topology circuit

3 鎖定沖擊試驗(yàn)

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

鎖定沖擊試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量采用 DH5920動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量所需的信號(hào)適調(diào)器（應(yīng)變、振動(dòng)等適調(diào)器）、直流電壓放大器、低通濾波器、抗混濾波器、16位A/D轉(zhuǎn)換器以及采樣控制和計(jì)算機(jī)通訊的全部硬件。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of the measuring system

試驗(yàn)過程中采樣頻率設(shè)置為5.12 kHz。在每次測(cè)量前先對(duì)各通道橋盒進(jìn)行平衡，再對(duì)各通道進(jìn)行清零，使外界噪聲干擾小于15 με，然后進(jìn)行測(cè)量。若干擾或者各通道零位漂移的幅度較大，則需要繼續(xù)平衡和清零，直到各通道的外界噪聲干擾以及零位漂移均符合要求。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定

在試驗(yàn)之前，為了確保測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)采集通道的有效性，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)在原測(cè)量工裝上再串聯(lián)一個(gè)懸臂桿，并在桿一端懸掛了20～50 kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（如圖5所示）。通過采集截面上的應(yīng)變獲得彎矩值，并與理論計(jì)算值進(jìn)行比對(duì)，以評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性（見表2）。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定Fig.5 Calibration of the measuring system

測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定中懸臂桿的截面彎矩mz為

表2 測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 2 The calibrational data of the measuring system

通過標(biāo)定數(shù)據(jù)可以看出測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)良好，系統(tǒng)誤差控制在4.5%以內(nèi)。

3.3 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中太陽(yáng)電池陣安裝于模擬墻上，根部鉸鏈與模擬墻之間串聯(lián)一個(gè)測(cè)量工裝，如圖6所示。

為了模擬空間的零重力環(huán)境，在每塊基板上均安裝氣浮組件，在展開過程中氣浮組件的氣盤表面產(chǎn)生一層氣膜，托起太陽(yáng)電池陣在光滑的大理石平臺(tái)上自由運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)電池陣展開過程如圖7所示。

圖6 太陽(yáng)電池陣與測(cè)量工裝的連接狀態(tài)Fig.6 The connection of the measuring tool and the solar cell array

圖7 太陽(yáng)電池陣展開過程Fig.7 The deployment of solar cell array

在試驗(yàn)前將太陽(yáng)電池陣收攏壓緊在模擬墻上；試驗(yàn)時(shí)手動(dòng)釋放太陽(yáng)電池陣，使其在展開鉸鏈驅(qū)動(dòng)彈簧的作用下自由展開，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量展開過程中工裝上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變以及展開時(shí)間。應(yīng)變變化情況如圖8所示。

圖8 應(yīng)變變化情況Fig.8 The variations of strain

整個(gè)試驗(yàn)過程中共進(jìn)行了 4次太陽(yáng)電池陣的展開及應(yīng)變測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 沖擊力矩測(cè)量結(jié)果Table 3 The measuring results of impact torque

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果如表4所示，可以看出沖擊力矩的實(shí)測(cè)結(jié)果與地面試驗(yàn)環(huán)境下的仿真分析結(jié)果較為接近，但是與在軌運(yùn)行環(huán)境下的仿真分析結(jié)果偏差較大。

表4 試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析對(duì)比Table 4 Comparison between the test results and the simulation results

出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因是：在地面試驗(yàn)環(huán)境下，由于空氣阻力的存在耗散了太陽(yáng)電池陣展開過程中的一部分動(dòng)能，特別是在太陽(yáng)電池陣面積較大的情況下這種影響更大；另外在地面試驗(yàn)時(shí)為了模擬空間零重力環(huán)境，通過氣浮方式平衡太陽(yáng)電池陣自身的重力，而氣浮組件與氣浮平臺(tái)之間存在一定的摩擦阻力。由于以上這些環(huán)節(jié)引入的附加阻尼導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣地面試驗(yàn)的展開時(shí)間大于實(shí)際的在軌展開時(shí)間，因此測(cè)得的沖擊力矩必然小于實(shí)際在軌工作情況。

為了更準(zhǔn)確地獲取太陽(yáng)電池陣在軌展開時(shí)的沖擊力矩，有必要對(duì)試驗(yàn)方法做進(jìn)一步改進(jìn)，其主要目的是減少展開過程中系統(tǒng)的附加阻尼，使得太陽(yáng)電池陣地面展開時(shí)間接近于在軌展開時(shí)間。可以采取的主要措施如下：

1）采用質(zhì)量特性模擬的方式，試驗(yàn)時(shí)將框架式結(jié)構(gòu)替代原來(lái)的太陽(yáng)電池陣基板結(jié)構(gòu)，以減少展開過程中空氣阻力的影響；

2）嚴(yán)格控制氣浮平臺(tái)的平面度，盡量減少展開過程中氣浮組件與平臺(tái)之間的摩擦阻力；

3）適當(dāng)增加展開鉸鏈的驅(qū)動(dòng)力矩以平衡一部分由于地面試驗(yàn)環(huán)境所帶來(lái)的附加阻尼；

4）采用模擬真空環(huán)境的專用設(shè)備進(jìn)行該沖擊試驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過太陽(yáng)電池陣展開鎖定沖擊試驗(yàn)對(duì)鎖定瞬間太陽(yáng)電池陣根部的應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)量，并計(jì)算得到了繞根部鉸鏈展開軸線的沖擊力矩。但是由于地面試驗(yàn)環(huán)境與衛(wèi)星軌道環(huán)境存在的差異導(dǎo)致目前所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與太陽(yáng)電池陣在空間展開時(shí)的真實(shí)沖擊力矩相差較大。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果的相互比對(duì)，認(rèn)為消除了地面環(huán)境因素影響的在軌環(huán)境的仿真分析結(jié)果可以作為工程研制的參考數(shù)據(jù)。另外也可以通過進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)方案，消除系統(tǒng)附加阻尼，以獲得更準(zhǔn)確的太陽(yáng)電池陣在軌展開沖擊力矩。

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