張友建，李小明，2，張家齊，2，張立中，2，李響，2

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 空間光電技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，長春 130022）

空間激光通信技術具有通信速率高、抗干擾能力強、抗截獲能力強、系統(tǒng)功耗小等優(yōu)勢，使其非常適合深空、星際、星地、空空、空地等鏈路通信，已成為打破微波通信速率提高困難的瓶頸，實現(xiàn)衛(wèi)星海量數(shù)據(jù)高速傳輸極具發(fā)展前景的潛在通信手段[1-2]。在星載激光通信系統(tǒng)中，由于通信光束發(fā)散角小，必須采用光端機對光束進行瞄準、捕獲與跟蹤[3]。周掃式光端機具有轉動范圍大、運動負載小、轉動慣量小等優(yōu)點，非常適合中小型低軌道衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，實現(xiàn)大范圍的光軸對準。而光端機在火箭發(fā)射過程中，振動、沖擊等力學環(huán)境惡劣，易發(fā)射低頻共振，因此必須用鎖緊機構對運動部件進行鎖緊以提高系統(tǒng)的諧振頻率。

目前航天應用較成熟的鎖緊機構一般采用爆炸螺栓等火工品對光端機轉動部分進行鎖定，但火工品有質量大、解鎖振動大、易產(chǎn)生污染等缺點。為替代火工品出現(xiàn)了采用電磁鐵作為驅動源的鎖緊機構，其特點是使用電磁鐵或記憶合金絲輸出的一端拉（壓）驅動機械機構完成拔銷或分瓣螺母分解等實現(xiàn)解鎖[4-6]，其存在機械結構復雜、重量大、解鎖后無法重復鎖緊等問題。

形狀記憶合金作為一種新型的、具有形狀記憶效應（Shape Memory Effect，SME）的金屬材料，在20世紀30年代開始被人們不斷的研究，美國NASA針對傳統(tǒng)的火工品解鎖機構存在的問題，發(fā)展了形狀記憶合金（Shape memory alloy，SMA）柱驅動分瓣螺母解鎖機構[7-8]，該解鎖機構具有承載大、體積小、低沖擊、無污染等優(yōu)點，但由于其依靠SMA柱驅動，而SMA柱的作動時間比較長，同步性基本得不到保障，使得其在很多場合根本無法使用。北京航空航天大學提出一種基于SMA的分瓣螺母空間解鎖機構，其優(yōu)點在于安裝體積小、解鎖速度快，但無法在軌重復使用[9]。本文針對星載周掃式激光通信光端機伺服轉動部分的鎖緊及解鎖需求，設計了一種基于形狀記憶合金絲的鎖緊機構[10]，并重點對其鎖緊剛度進行優(yōu)化，以降低鎖緊機構解鎖所需功耗。

1 周掃式激光通信光端機

周掃式光端機結構形式示意圖如圖1所示。周掃式激光通信光端機后續(xù)光學系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星星體上保持不動，光端機可繞Z1軸做方位轉動，繞Y1軸做俯仰轉動，通過兩面分別跟隨方位軸與俯仰軸轉動的反射鏡調整光軸方向，實現(xiàn)光軸跟蹤與對準。

圖1 周掃式光端機結構示意圖

周掃式光端機外形和內部結構如圖2所示，光端機主要由方位軸系、俯仰軸系、反射鏡組件、導電滑環(huán)、遮光罩和鎖緊機構構成，方位軸系通過法蘭安裝在衛(wèi)星平臺上，帶動光端機做方位轉動，俯仰軸系帶動反射鏡組件1及遮光罩做俯仰運動，通過兩面反射鏡完成光軸的調整。光端機通光口徑為70 mm。由于運載火箭發(fā)射過程當中光端機電機不上電，系統(tǒng)的方位和俯仰軸處于自由狀態(tài)，為保證發(fā)射狀態(tài)下光端機諧振頻率滿足要求，必須對光端機進行鎖緊。傳統(tǒng)鎖緊用的爆炸螺栓重量為500 g，造成系統(tǒng)重量超出設計要求。因此系統(tǒng)設計記憶合金驅動的新型鎖緊機構，鎖緊機構通過支架與光端機方位軸系軸座固連，通過鎖緊鉤對遮光罩進行鎖定，實現(xiàn)光端機的鎖緊。

圖2 周掃式光端機結構剖視圖

2 鎖緊機構原理

鎖緊機構結構如圖3所示，周掃式光端機位于鎖緊位置時，方位軸與俯仰軸轉動帶動遮光罩向A方向運動，因此只要考慮限制遮光罩沿A方向的運動，即采用一個鎖緊機構限制遮光罩的運動即可實現(xiàn)對兩個軸系的鎖定。

圖3 鎖緊機構結構圖

鎖緊機構采用鎖緊鉤結構，定位楔塊與鎖緊機構基座同光端機基座相連，兩者位置固定。鎖緊鉤可繞旋轉軸O1轉動，鎖緊鉤一端連接彈簧，通過彈簧彈力將鎖緊鉤頂起實現(xiàn)鎖緊。記憶合金絲一端與鎖緊基座固定另一端連接鎖緊鉤，鎖緊機構中使用的記憶合金絲具熱縮性，因此記憶合金絲在鎖緊機構基座中繞絕緣柱排布，在有限的空間里最大化的增加記憶合金絲的總體長度，進而增加其熱收縮變形量。鎖緊時光端機轉動到指定位置后遮光罩一端與定位楔塊的斜面貼合另一端被頂起的鎖緊鉤頂住，遮光罩被鎖緊結構限制無法運動，光端機兩回轉軸被鎖住無法轉動。解鎖時，通過給記憶合金絲通電加熱而收縮，克服彈簧彈力帶動鎖緊鉤落下，光端機方位軸轉動帶動遮光軸平移出鎖定位置完成解鎖。

3 鎖緊機構參數(shù)分析

鎖緊鉤子結構如圖4所示，鎖緊鉤與遮光軸接觸錐面角度設計為θ，保證鎖緊鉤鎖緊可靠。Fj為記憶合金絲拉力，lj為Fj作用在回轉軸O1上的力臂，F(xiàn)t為彈簧彈力，lt為彈力作用在旋轉軸O1上的力臂，根據(jù)機構設計θ=3°，解鎖時鎖緊鉤移動距離為10 mm。

圖4 鎖緊鉤受力分析圖

根據(jù)周掃轉臺結構三維模型分析轉臺轉動部件繞方位軸的轉動慣量J為24 863 kg·mm2，方位軸距鎖緊點的距離D為117 mm，發(fā)射時系統(tǒng)所受的最大加速度載荷a為60 g。發(fā)射時鎖緊機構所受的最大推力F為：

由圖4可見，推力F作用在錐面上后其產(chǎn)生的分力F1產(chǎn)生的力矩有推動鎖緊鉤順時針轉動的趨勢，彈簧的彈力Ft必須抵消該力矩，否則會造成鎖緊失效。為保證彈簧有足夠的彈力，則：

根據(jù)設計l=3.28 mm，lt=55 mm，lj=44 mm，由上式得：

因此鎖緊時要求彈簧彈力要大于64 N。

根據(jù)圖4可知，C點沿Ft方向上的位移?C與B點沿F方向上位移?B的關系為：

所以當鎖緊彈簧剛度為k時，其在B點處產(chǎn)生的鎖緊剛度kB為：

4 鎖緊剛度分析

鎖緊機構是采用彈簧通過鎖緊鉤對機構提供鎖緊力，實現(xiàn)機構鎖緊，所以鎖緊時結構相當于在遮光罩鎖緊處采用了一個彈性系統(tǒng)，系統(tǒng)的剛度直接影響系統(tǒng)諧振頻率。因此，將鎖緊結構等效為一個彈簧單元，一端與遮光罩連接，另一端與鎖緊盤連接，彈簧方向沿圖中A方向，采用RBE2單元限制遮光罩其余兩個方向的運動。用有限元方法分析在不同彈簧剛度作用下系統(tǒng)的諧振頻率變化情況，整機有限元模型如圖5所示。

圖5 周掃式光端機有限元模型

由圖6系統(tǒng)一階模態(tài)與鎖緊剛度的關系圖可見，隨著鎖緊剛度kB的增大，周掃轉臺的一階模態(tài)不斷提高，當剛度達到5 700 N/mm后一階模態(tài)大于70 Hz，當剛度大于8 500 N/mm后，由于遮光軸剛度的限制，轉臺一階模態(tài)不再明顯增大。鎖緊剛度大，有利于提高轉臺的一階模態(tài)，但同時會造成所需解鎖力增大，一方面增加記憶合金的拉力對合金強度提出更高要求，同時也增加了解鎖功耗，為此在滿足轉臺一階模態(tài)設計要求的前提下應該盡量減小鎖緊剛度。

圖6 系統(tǒng)一階模態(tài)與鎖緊剛度關系圖

由于轉臺設計要求鎖緊時一階模態(tài)大于70 Hz，留取設計余量后鎖緊剛度kB選取為6 500 N，鎖緊彈簧剛度為，彈簧在鎖緊時壓縮量大于3.5 mm，解鎖時彈簧繼續(xù)壓縮10 mm，解鎖力為Fj=kΔl=200 N。

5 實驗與測試

如圖7所示，選取一段彈簧剛度k=20 N/mm的彈簧，首先在彈簧與鎖緊機構基座連接的地方墊一個墊片，通過修整墊片的高度來調節(jié)彈簧的壓縮量在3.5 mm，并將裝配好的鎖緊機構固定在鎖緊盤上。

圖7 鎖緊機構實物圖

如圖8所示，設計工裝模擬遮光罩，在工裝的中間安裝一個壓力傳感器（讀數(shù)單位kg），將鎖緊機構通電加熱，使鎖緊鉤回縮，將工裝固定在鎖緊盤上，并將鎖緊機構斷電，使鎖緊機構對模擬遮光罩的工裝進行鎖緊，通過壓力傳感器可以測得目前狀態(tài)下工裝所承受的鎖緊力為1 072 N。

圖8 鎖緊力測試系統(tǒng)

在室溫條件下對鎖緊機構進行重復性試驗，給記憶合金絲通12 V/3 A電源，通過單片機控制通斷電，對鎖緊機構重復解鎖/鎖緊試驗200次，鎖緊機構依然可以正常工作。

將此記憶合金鎖緊機構安裝到周掃式激光通信光端機上，在鎖緊狀態(tài)時進行了掃頻測試，振動臺參數(shù)如表1所示。

表1 掃頻振動試驗條件

對周掃式跟瞄系統(tǒng)整機結構進行x、y、z三個方向的三次掃頻實驗，實驗現(xiàn)場及測試曲線如圖9所示。

圖9 y向掃頻測試現(xiàn)場

在圖10（a）、圖10（b）、圖10（c）中所示的掃頻曲線為對數(shù)掃頻，其縱坐標表示幅值比，橫坐標表示頻率，單位為Hz。掃頻在Y向得到的頻率最低為76.48 Hz，測試曲線如圖10所示。試驗結果表明轉臺鎖緊時的一階諧振頻率為76.48 Hz與設計值75 Hz僅存在0.68%的誤差，滿足鎖緊時一階固有頻率≥70 Hz的指標要求。

圖10 測試曲線

在完成加速度載荷a=60 g，時間3 ms的后向矩齒波沖擊測試后，周掃式光端機能夠正常工作，鎖緊機構優(yōu)化設計合理，滿足使用要求。

6 結論

本文以應用于周掃式轉臺的采用記憶合金解鎖的鎖緊機構為對象，分析了鎖緊機構鎖緊彈簧剛度與轉臺一階模態(tài)的關系，在保證轉臺一階模態(tài)滿足設計要求的前提下優(yōu)化選取了鎖緊機構參數(shù)，使鎖緊結構具有較小的解鎖力，減小對記憶合金絲的要求和解鎖功耗。鎖緊狀態(tài)下周掃轉臺掃頻試驗表明轉臺鎖緊時的一階諧振頻率為76.48 Hz，優(yōu)化后的鎖緊結構參數(shù)與設計結果基本一致，滿足設計要求。