吳遠(yuǎn)波，陳重華，陳 汀

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

展開鎖定對太陽電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊載荷分析與測量

吳遠(yuǎn)波，陳重華，陳 汀

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

太陽電池陣在空間會(huì)以較大的速度展開到位并鎖定，這會(huì)給太陽電池陣的對日定向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（SADA）帶來一定的沖擊載荷，而僅依靠軟件仿真很難得到準(zhǔn)確可靠的沖擊載荷數(shù)據(jù)。文章提出在衛(wèi)星星體與太陽電池陣根部鉸鏈之間串接一個(gè)測量工裝，通過測量工裝產(chǎn)生的應(yīng)變可間接獲得沖擊載荷。該技術(shù)措施已在型號研制中得到應(yīng)用，為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)承載能力的設(shè)計(jì)分析和考核提供了依據(jù)。

太陽電池陣；對日定向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；沖擊載荷；應(yīng)變測量

0 引言

為滿足衛(wèi)星大功率的需求，必須有大面積的太陽電池陣供電［1］。由于受到衛(wèi)星與運(yùn)載火箭整流罩之間包絡(luò)空間的限制，衛(wèi)星發(fā)射前太陽電池陣須呈收攏狀態(tài)，待整流罩拋射或星箭分離后，再展開到所需的位置。為了滿足太陽電池陣展開要求，其展開驅(qū)動(dòng)力/力矩必須大于阻力/阻力矩［2］；因此，在空間真空和微重力環(huán)境下，太陽電池陣會(huì)以較大的速度展開，且展開到位后瞬間完成鎖定，這會(huì)給對日定向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（SADA）帶來一定的沖擊載荷。

SADA屬于單點(diǎn)失效件，始終處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，則會(huì)導(dǎo)致任務(wù)失敗。相關(guān)資料表明，國內(nèi)外多顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中因 SADA出現(xiàn)了卡死或短路故障而直接影響了整星的正常工作。因此，在 SADA地面研制過程中必須對其承受沖擊載荷的能力進(jìn)行分析和試驗(yàn)考核。為了獲得太陽電池陣展開鎖定對 SADA的沖擊載荷，本文提出通過應(yīng)變測量間接獲取沖擊載荷的方案。

1 仿真分析

1.1基板和連接架的柔性模擬

基板和連接架展開鎖定時(shí)滿足的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；u為位移矩陣；F為力矢量。

取其固定界面的正則振動(dòng)模態(tài)和相對于界面坐標(biāo)的約束模態(tài)構(gòu)成Craig-Bampton模態(tài)，即：

式中：Φ為模態(tài)矩陣；I為單位矩陣；q為模態(tài)位移。

對Craig-Bampton模態(tài)進(jìn)行正交化處理，得到正交化的模態(tài)矩陣Φ*為

使用Nastran軟件工具計(jì)算基板和連接架正交化的Craig-Bampton模態(tài)，并導(dǎo)入ADAMS中，作為基板和連接架的柔性模型。

第三，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)產(chǎn)權(quán)制度的完善使農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展。在這一改革當(dāng)中，最為核心的內(nèi)容就是確保農(nóng)村經(jīng)濟(jì)產(chǎn)權(quán)交易平臺的構(gòu)建與完善，確保農(nóng)村經(jīng)濟(jì)產(chǎn)權(quán)能夠?qū)崿F(xiàn)投資、交易以及增值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)的保持與增長。

1.2鉸鏈的模擬

將所有展開驅(qū)動(dòng)彈簧簡化為線性彈簧［3］，并考慮鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的摩擦阻力矩和板間電纜的阻力矩。其中摩擦阻力矩假設(shè)為常值，在確定展開驅(qū)動(dòng)力矩大小時(shí)考慮該值；板間電纜的阻力矩假設(shè)為線性變化，展開狀態(tài)為0，收攏狀態(tài)最大，可在驅(qū)動(dòng)彈簧的剛度設(shè)計(jì)中考慮該阻力矩。

1.3聯(lián)動(dòng)裝置中繩索柔性的模擬

為考慮聯(lián)動(dòng)裝置中繩索柔性的影響，將聯(lián)動(dòng)裝置的作用簡化為相應(yīng)的力矩。設(shè)繩索的預(yù)緊力為P，相連的兩個(gè)繩輪a、b的半徑為ra和rb，單側(cè)聯(lián)動(dòng)繩索的柔度系數(shù)為f，則繩索作用在兩個(gè)輪上的扭矩分別為：

其中：ΔP=（θbrb-θara）/f ，θa為繩輪a的展開轉(zhuǎn)動(dòng)角度，θb為繩輪b的展開轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

1.4分析結(jié)果

基于上述模型，使用ADAMS軟件對太陽電池陣展開和鎖定過程進(jìn)行數(shù)值仿真，其結(jié)果見表 1。太陽電池陣坐標(biāo)定義參見圖1。

表1　根部鉸鏈鎖定對驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊力矩Table 1 Shock torque on SADA due to root hinge locking

圖1　太陽電池陣坐標(biāo)定義Fig. 1 Coordinate definition of the solar array

2 測量方案

根據(jù)仿真分析的結(jié)果來看，SADA承受的沖擊載荷主要為展開方向產(chǎn)生的彎矩，即繞x軸的最大沖擊載荷值遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向。為了簡化試驗(yàn)方案，可忽略其他兩個(gè)方向的載荷影響，主要測量繞x軸的沖擊載荷。

在模擬墻與太陽電池陣根部鉸鏈之間串接一個(gè)測量工裝，并在測量工裝上粘貼16個(gè)單向應(yīng)變測點(diǎn)（應(yīng)變測點(diǎn)的分布如圖2所示）。測量工裝主要由安裝法蘭和4根矩形測量桿（a， b， c， d）組成，在 4根測量桿上距離太陽電池陣對接面的 L1、L2處，各布置一組8個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，總共16個(gè)測點(diǎn)。兩組測點(diǎn)相對于測量桿截面的位置完全相同，各應(yīng)變測點(diǎn)均用于測量各測量桿軸線方向的應(yīng)變。

圖2　測量工裝應(yīng)變測點(diǎn)布局Fig. 2 Arrangement of strain measurement points

根據(jù)測量工裝的受力特性，每根桿截面上的應(yīng)力可以等效為軸向力 fy、剪切力qz、彎矩Mx，其表達(dá)式見式（6）和式（7）。

其中：?ε為2點(diǎn)與1點(diǎn)之差、4點(diǎn)與3點(diǎn)之差、6點(diǎn)與5點(diǎn)之差、8點(diǎn)與7點(diǎn)應(yīng)變之差的一半。

在L1截面處，根據(jù)y向力平衡和彎矩平衡，

可得到：

同樣在 L2截面處，也可以列出兩個(gè)方程。將式（6）、（7）分別代入式（8）、（9）中，可以得到軸向力Fy；將截面L1和L2處的彎矩平衡方程聯(lián)立，可以解出彎矩Mx。

3 太陽電池陣沖擊試驗(yàn)

太陽電池陣展開沖擊試驗(yàn)時(shí)，通過懸掛式展開試驗(yàn)裝置與支架車、模擬墻配合，模擬太陽電池陣在軌失重（近似零重力）狀態(tài)，見圖3。在測量工裝上粘貼應(yīng)變測點(diǎn)的實(shí)物照片見圖4。

圖3　太陽電池陣展開鎖定沖擊試驗(yàn)示意Fig. 3 Schematic diagram of solar arrays’ deploying/locking impact testing

開時(shí)間比真空中要長，地面展開試驗(yàn)所獲得的力學(xué)參數(shù)會(huì)小于實(shí)際真空中的展開情況［4］，所以太陽電池陣展開鎖定沖擊試驗(yàn)分2種工況進(jìn)行：首先進(jìn)行常溫常壓下的展開試驗(yàn)；接著調(diào)整鉸鏈展開盤簧力矩，使太陽電池陣地面展開時(shí)間盡量接近在真空中的展開時(shí)間（分析值）。每種工況展開試驗(yàn)分別進(jìn)行4次。

圖4　測量工裝上粘貼應(yīng)變片F(xiàn)ig. 4 Photo of strain measurement points on testing device

某型號太陽電池陣展開鎖定沖擊試驗(yàn)的彎矩?cái)?shù)據(jù)分析匯總見表2，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：1）太陽電池陣展開鎖定對SADA的沖擊彎矩與展開時(shí)間成反比，兩者之積大約為 2100～2200N·m·s；2）太陽電池陣在軌展開時(shí)間若按8.5s計(jì)算，則沖擊彎矩約為 247～259N·m，比預(yù)分析結(jié)果（218N·m）至少大13%。

表2　太陽電池陣閉鎖沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental results of shock load

4 結(jié)束語

本文通過對 SADA在太陽電池陣展開鎖定過程中承受的沖擊載荷仿真分析與試驗(yàn)測量，得出了太陽電池陣展開鎖定沖擊彎矩與展開時(shí)間成反比的結(jié)論。根據(jù)太陽電池陣地面展開時(shí)間，可以較準(zhǔn)確地預(yù)測太陽電池陣在軌展開鎖定沖擊載荷，為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)地面試驗(yàn)考核提供依據(jù)，目前已經(jīng)在部分型號上得到了應(yīng)用和推廣。

由于太陽電池陣的材料及各構(gòu)件連接關(guān)系復(fù)雜，尤其鉸鏈的非線性特性［5-6］，以及展開過程涉及剛?cè)狁詈系龋?-8］，使得試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差異，有必要進(jìn)一步開展仿真與試驗(yàn)的研究。

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（編輯：肖福根）

Analysis and measurement of shock load on SADA due to solar array deployment locking

WU Yuanbo， CHEN Chonghua， CHEN Ting
（Shanghai Institute of Satellite Engineering， Shanghai 201109， China）

The solar array has to be locked in a specified position after deployment. The locking process produces a large shock on the SADA of the satellite. Accurate related results are difficult to be obtained from the commercial software simulations. This paper proposes a measurement method by connecting a measuring tool between the satellite body and the root hinge of the solar array. The strain data can be measured from the tool and the shock load can be calculated indirectly. The method is validated in the satellite development.

solar array； SADA； shock load； strain measurement

V41

A

1673-1379（2016）04-0378-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.007

2016-03-22；

2016-07-11

吳遠(yuǎn)波（1978—），男，碩士學(xué)位，高級工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星總體、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。E-mail:yuanbowu509@sina.com。