張文明 李委托

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

包帶式星箭解鎖裝置安裝在衛(wèi)星與火箭之間，用于兩者的連接與解鎖。在衛(wèi)星地面運(yùn)輸以及發(fā)射過程中，星箭解鎖裝置應(yīng)能確保衛(wèi)星與火箭的可靠連接；當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射至指定高度后，能按指令解除衛(wèi)星與火箭之間的約束，為星箭分離作好準(zhǔn)備［1］。

包帶式星箭解鎖裝置預(yù)緊力是星箭解鎖裝置重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，直接決定著衛(wèi)星與火箭之間連接的可靠性。預(yù)緊力的大小是依據(jù)衛(wèi)星的質(zhì)量特性和發(fā)射時(shí)的載荷確定的。由于包帶與被連接件的材料不同，因此在星箭解鎖裝置安裝后，其包帶預(yù)緊力大小會(huì)受外界環(huán)境條件的影響。為保證在地面運(yùn)輸和發(fā)射過程中星箭之間的連接強(qiáng)度和剛度要求，必須準(zhǔn)確計(jì)算包帶的預(yù)緊力，并考慮各種因素對其大小的影響。

星箭解鎖裝置裝在衛(wèi)星上后，現(xiàn)場環(huán)境溫度一般控制較嚴(yán)，在15～25 ℃之間，同時(shí)相對包帶已施加的預(yù)緊力，外載荷所引起的包帶預(yù)緊力變化量有限，因此，通常在計(jì)算包帶預(yù)緊力時(shí)，很少考慮溫度和外載荷的影響。星箭解鎖裝置安裝后，溫度和外載荷是影響其包帶預(yù)緊力大小的主要因素。目前，國內(nèi)還沒有針對這些影響因素開展研究。本文就溫度和外載荷影響包帶預(yù)緊力變化的問題進(jìn)行了分析，并推導(dǎo)出包帶預(yù)緊力變化的計(jì)算公式。結(jié)合某衛(wèi)星包帶式星箭解鎖裝置的靜力試驗(yàn)，對分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 包帶式星箭解鎖裝置組成及工作原理

包帶式星箭解鎖裝置主要由包帶、夾塊、爆炸螺栓等零部件組成，安裝狀態(tài)如圖1所示。其工作原理是：用多個(gè)“V”型夾塊將衛(wèi)星與火箭的對接框夾住，再由沿圓周方向箍緊的包帶約束夾塊，包帶之間采用爆炸螺栓連接。通過爆炸螺栓對包帶施加預(yù)緊力，使V 型夾塊壓緊對接框，從而實(shí)現(xiàn)星箭的可靠連接。衛(wèi)星在地面運(yùn)輸和動(dòng)力飛行時(shí)，由包帶、夾塊和爆炸螺栓承受連接載荷。當(dāng)星箭需要分離時(shí)，給爆炸螺栓供電，引爆爆炸螺栓，使其從預(yù)置溝槽處斷裂，進(jìn)而釋放包帶預(yù)緊力，并帶動(dòng)包帶、夾塊脫離星箭的對接框，解除兩者的連接狀態(tài)，完成星箭之間的解鎖，為星箭分離作好準(zhǔn)備。

圖1 包帶式星箭解鎖裝置安裝示意圖Fig.1 Sketch map of V-clamp band assembly

3 包帶預(yù)緊力影響因素分析

3.1 預(yù)緊力計(jì)算

衛(wèi)星發(fā)射過程中，包帶式星箭解鎖裝置應(yīng)能承受衛(wèi)星質(zhì)心過載載荷條件，保證衛(wèi)星與火箭的可靠連接，滿足兩者之間的連接強(qiáng)度和剛度要求。

衛(wèi)星與火箭對接面處的載荷，可分解為作用在對接面上的軸向載荷P、橫向剪力Q 和彎矩M，如圖2所示。包帶最小預(yù)緊力Fmin為［2-3］

式中：K 為修正系數(shù)；n為夾塊數(shù)量；Δφ為單個(gè)夾塊所占的周向角；R 為對接框半徑；f1為兩框之間的摩擦系數(shù)；θ為夾塊內(nèi)角；f為夾塊與框之間的摩擦系數(shù)。

圖2 包帶式星箭解鎖裝置受力分析示意圖Fig.2 Sketch map of analysis of forces acting on V-clamp band

3.2 影響因素分析

3.2.1 溫度影響

包帶式星箭解鎖裝置的包帶，通常采用鈦材或鋼材，衛(wèi)星和火箭對接框、夾塊通常采用鋁合金材料，兩者的熱脹系數(shù)不同；因此，在衛(wèi)星和火箭對接框上安裝包帶式星箭解鎖裝置后，包帶的預(yù)緊力會(huì)隨溫度的變化而變化。設(shè)由溫度變化引起的包帶預(yù)緊力變化為ΔFt，則在溫度變化時(shí)，對接框與夾塊組合體的徑向變形為

式中：D 為包帶圍成的圓直徑；α1為對接框、夾塊材料的熱脹系數(shù)；ΔT 為溫度變化量；對接框與夾塊組合體的拉壓剛度k1≈E1·A，其中E1為鋁合金材料的彈性模量，A1為對接框橫截面面積。

包帶的徑向變形為

式中：α2為包帶材料熱脹系數(shù)；包帶的拉伸剛度k2＝E2·A2，其中E2為包帶材料的彈性模量，A2為包帶橫截面面積。

因?yàn)棣?＝Δ2，所以由式（2）和式（3）可得

3.2.2 外載荷影響

衛(wèi)星和火箭對接框的接口形式見圖1。衛(wèi)星在發(fā)射過程中的動(dòng)、靜載荷作用在星箭對接面上，形成對接面上的軸向拉壓載荷、彎矩及橫向剪力。其中：彎矩作用于對接面時(shí)，會(huì)對對接框產(chǎn)生沿圓周方向?qū)ΨQ分布但方向相反的作用力，即對接框一邊受拉，另一邊受壓；另外，對接面處的橫向剪力由2個(gè)對接框的抗剪錐面承受，可在此忽略彎矩和橫向剪力對包帶預(yù)緊力的影響。對接框受軸向拉壓載荷時(shí)，會(huì)沿橫向（直徑方向）變化，其值與材料的泊松比μ 相關(guān)，這些變化會(huì)對包帶預(yù)緊力產(chǎn)生影響。

假設(shè)對接框內(nèi)、外直徑分別為d1和D1，衛(wèi)星承受軸向載荷時(shí)，對接框沿軸向的應(yīng)變［4］為

式中：A1＝

對接框沿徑向的應(yīng)變?yōu)?/p>

設(shè)包帶預(yù)緊力變化量為ΔF，對接框沿徑向變化量與包帶沿徑向變化量應(yīng)相等（忽略夾塊的微量變化），即

式中：由軸向載荷P 引起的對接框直徑變化Δ3＝D1·μ·ε1。

由式（7）可得

4 靜力試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)描述

某衛(wèi)星采用了1194型包帶式星箭解鎖裝置，對應(yīng)的對接框接口直徑為1194mm，沿對接框圓周方向均分布3根包帶1＃、2＃和3＃，包裝安裝位置見圖3。

圖3 包帶安裝位置示意圖Fig.3 Sketch map of band position

在靜力試驗(yàn)過程中，采用衛(wèi)星質(zhì)量模擬件，衛(wèi)星與火箭之間的對接框?yàn)檎鎸?shí)狀態(tài)，安裝見圖4。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量特性（質(zhì)量、質(zhì)心高度）以及質(zhì)心處過載，計(jì)算對接面上的力，然后根據(jù)式（1）計(jì)算包帶預(yù)緊力，為33kN，實(shí)際加載控制在33～35kN。安裝包帶式星箭解鎖裝置時(shí)，通過對連接相鄰2根包帶的爆炸螺栓逐漸加載，達(dá)到包帶預(yù)緊的目的。加載過程中，利用貼在包帶表面上的若干應(yīng)變片來測量包帶的應(yīng)變，進(jìn)而得到包帶的預(yù)緊力。

圖4 靜力試驗(yàn)加載示意圖Fig.4 Sketch map of static test load

如圖4所示，衛(wèi)星模擬件與火箭對接框通過星箭解鎖裝置連接在一起，并通過火箭的對接框固定在試驗(yàn)臺(tái)上。在衛(wèi)星模擬質(zhì)心處沿X 軸、Z 軸 或Y軸、Z 軸方向施加載荷［5-6］，共進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分別進(jìn)行2次，試驗(yàn)條件見表1。

表1 靜力試驗(yàn)工況Table 1 Static test states

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.2.1 溫度試驗(yàn)

在溫度試驗(yàn)過程中，分別對20℃和32℃溫度下的包帶預(yù)緊力進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。對接框（鋁合金）的熱脹系數(shù)α1＝2.36×10-5／℃，橫截面面積A1＝1.08×10-2m2，鋁合金材料的彈性模量E1＝7.0×1010Pa；包帶（鈦合金）的熱脹系數(shù)α2＝1.02×10-5／℃，包帶橫截面面積A2＝1.0×10-4m2，鈦合金材料的彈性模量E2＝1.05×1011Pa［7］，由式（4）計(jì)算得到溫度變化所引起的預(yù)緊力變化量（見表2）。從表2的數(shù)據(jù)可知：在溫度變化時(shí)，包帶預(yù)緊力變化計(jì)算值與實(shí)測值相差2.8%～4.3%，包帶預(yù)緊力試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。

表2 溫度影響包帶預(yù)緊力測試結(jié)果Table 2 Test results of band preload with temperature influence N

4.2.2 靜力試驗(yàn)

按圖4所示加載方法和表1中的加載載荷進(jìn)行靜力試驗(yàn)。加載前后測得的包帶預(yù)緊力，以及根據(jù)表1所示載荷條件和星箭解鎖裝置接口尺寸，按照式（8）計(jì)算得到的不同外載荷下預(yù)緊力的變化量（其中鋁合金的泊松比μ＝0.33），見表3～表5。

表3 第1組測試結(jié)果Table 3 Results of Test 1 N

表4 第2組測試結(jié)果Table 4 Results of Test 2 N

表5 第3組測試結(jié)果Table 5 Results of Test 3 N

從表3～表5中的數(shù)據(jù)可以看出：在外載荷作用下，對接面上的壓力越大，預(yù)緊力增加越大，計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢一致，計(jì)算值與實(shí)測值相差11.5%～23.5%。經(jīng)分析，存在偏差的原因有兩個(gè)：一是包帶預(yù)緊力測試采用應(yīng)變片，存在測量誤差；二是本文中的包帶式星箭解鎖裝置由3 根包帶組成，靜力試驗(yàn)時(shí)，對接面處的彎矩和橫向剪力使每根包帶的受力不同，而理論計(jì)算每根包帶上預(yù)緊力變化非常困難，為簡化計(jì)算，預(yù)測預(yù)緊力的變化趨勢時(shí)，文中采用3根包帶預(yù)緊力的平均值進(jìn)行分析，忽略其彎矩和橫向剪力的影響，因而產(chǎn)生誤差。

5 結(jié)束語

本文分析了溫度和外載荷對包帶預(yù)緊力的影響，推導(dǎo)出了計(jì)算方法，結(jié)合某衛(wèi)星靜力試驗(yàn)對該計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：在溫度變化時(shí)，包帶預(yù)緊力變化計(jì)算值與實(shí)測值相差2.8%～4.3%；在外載荷作用下，對接面上的壓力越大，預(yù)緊力增加越大，計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢一致，計(jì)算值與實(shí)測值相差11.5%～23.5%。

包帶式星箭解鎖裝置裝在衛(wèi)星上后，溫度和外載荷均會(huì)引起包帶預(yù)緊力的變化。在計(jì)算預(yù)緊力時(shí)，不但要考慮整星的質(zhì)量特性、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的過載載荷，還要根據(jù)衛(wèi)星所經(jīng)歷的溫度、力學(xué)環(huán)境估算包帶預(yù)緊力的變化量，以確保包帶預(yù)緊力在各種環(huán)境條件下均滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而保證衛(wèi)星與火箭間的可靠連接。本文提出的計(jì)算方法，對包帶式星箭解鎖裝置的預(yù)緊力計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。

（References）

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