黃 強，荊 江，王佳南，胡 鑫，高 越

（1. 北京強度環(huán)境研究所，北京 100076； 2. 北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

0 引言

在部分航天產(chǎn)品的地面性能參數(shù)檢測中，需要檢驗其在自旋失重狀態(tài)下的性能參數(shù)是否滿足設計需求。傳統(tǒng)檢驗方法受限于使產(chǎn)品達到自旋失重狀態(tài)的裝置研制困難以及自旋失重試驗實施過程復雜，往往分別進行旋轉和失重模擬環(huán)境下的產(chǎn)品試驗檢測，導致環(huán)境模擬不夠真實全面，不能充分暴露產(chǎn)品設計缺陷和錯誤。

工程應用上一般通過轉臺來實現(xiàn)產(chǎn)品自旋環(huán)境模擬，但是轉臺無法實現(xiàn)產(chǎn)品失重環(huán)境的模擬。常用的旋轉裝置一般是兩端對轉軸約束，此類裝置旋轉精度較高，轉速高，但難以再增加失重環(huán)境模擬機構。另有一種轉軸一端不受約束的單端承載旋轉裝置，因其在加工和裝配中如存在細微誤差即可導致產(chǎn)品在轉動過程中不同軸，或如產(chǎn)品存在偏心問題則可使轉動機構軸系產(chǎn)生較大的偏心力，且偏心力會隨著產(chǎn)品質量和轉速的增大而增大，而過大的離心力易對軸系和產(chǎn)品自身造成失穩(wěn)破壞，所以此類旋轉裝置對設計精度和加工精度的要求很高。但另一方面，單端承載旋轉裝置轉軸的另外一端不存在約束，因而比較容易增加失重環(huán)境模擬機構。

使物體產(chǎn)生自由落體是模擬失重環(huán)境的常用手段，因此可以采取將自旋狀態(tài)下的產(chǎn)品釋放的方式使產(chǎn)品同時處于旋轉和失重狀態(tài)。目前我國未見可實現(xiàn)產(chǎn)品旋轉和平穩(wěn)釋放的機構。為此，需要研制一種旋轉釋放裝置，以實現(xiàn)在旋轉狀態(tài)中迅速釋放產(chǎn)品的同時，還確保產(chǎn)品在下落過程中不發(fā)生大角度傾斜。

1 旋轉失重試驗裝置設計要求和設計思路

旋轉失重試驗裝置需要滿足質量≥300 kg、長度0.5～1 m、直徑0.8～1.5 m 的圓柱形產(chǎn)品以轉速≥3.5 r/s 穩(wěn)定旋轉；產(chǎn)品在旋轉過程中能被平穩(wěn)迅速釋放，且釋放過程中其水平傾斜度≤5°；在產(chǎn)品轉動和轉動下落失重過程中，地面控制信號通過滑環(huán)可傳輸至轉動的產(chǎn)品上。

裝置設計思路（如圖1 所示）是根據(jù)自旋和失重兩個狀態(tài)將旋轉失重試驗裝置分解成單端承載旋轉機構和轉動平穩(wěn)釋放機構兩部分，且單獨進行設計。單端承載旋轉機構要求能保證產(chǎn)品穩(wěn)定旋轉。轉動平穩(wěn)釋放機構連接在單端承載旋轉機構的自由端，要求既能可靠地連接產(chǎn)品還可實現(xiàn)轉動的傳遞；當產(chǎn)品達到指定轉速并接收到釋放信號后，可在極短時間內釋放轉動的產(chǎn)品，且不能對產(chǎn)品造成額外擾動，保證產(chǎn)品下落平穩(wěn)。此外，釋放機構需有較高的剛度，能保證產(chǎn)品同軸轉動，在偏心力作用下不發(fā)生結構失穩(wěn)破壞。因此產(chǎn)品的轉動平穩(wěn)釋放是該裝置設計的關鍵之一。設計的旋轉失重試驗裝置如圖2 所示。

圖1 旋轉失重試驗裝置設計思路Fig. 1 The design philosophy of the rotation and weightlessness test device

圖2 旋轉失重試驗裝置設計示意Fig. 2 Schematic diagram of the rotation and weightlessness test device

2 單端承載旋轉機構

單端承載旋轉機構由減速電機、變頻控制器、軸、軸承座、軸承、聯(lián)軸器及連接工裝等零部件組成，根據(jù)任務要求對各零部件進行選型和設計。其中，由軸、軸承座和軸承組成的軸系在旋轉機構中至關重要，需要滿足單端承載和轉動平穩(wěn)的要求。

2.1 電機選擇

產(chǎn)品轉動慣量60 kg·m，旋轉機構中轉動摩擦力和外界阻力均較小，按減速電機啟動至指定轉速210 r/min 所需要時間計算出的電機功率如表1 所示，其中摩擦力矩按2 倍的安全系數(shù)計算。

表1 旋轉機構參數(shù)計算Table 1 Calculation of rotation mechanism

由表1 可見，減速電機的扭矩遠大于摩擦力矩?？紤]加速至穩(wěn)定轉速的時間、安裝空間及可選用的電機型號，選擇某公司生產(chǎn)的KF77 型號電機作為動力裝置，其功率為7.5 kW，扭矩為333 N·m。電機啟動和轉速由變頻器進行控制，最大可實現(xiàn)4.1 r/s的轉速輸出。

2.2 軸系設計

可將旋轉機構中的軸理想化為旋轉懸臂梁。在旋轉過程中軸的強度需要大于旋轉產(chǎn)生的偏心力、產(chǎn)品重力和扭矩三者作用在軸上的應力之和。考慮產(chǎn)品重力和扭矩產(chǎn)生的應力相較偏心力產(chǎn)生的彎矩很小，因此在軸直徑選取上主要考慮彎曲應力。圓型截面的剖面模數(shù)和慣性矩分別為

式中為軸直徑。選用的軸材料為45#鋼，其屈服強度為355 MPa，許用安全系數(shù)[]取0.5，則其允許在產(chǎn)品重心位置處產(chǎn)生的偏移量為

DS18B20的所有處理都是從初始化開始的，初始化是單片機將總線拉低480μs然后釋放總線，DS18B20檢測到上升沿后再等待15～60μs后拉低總線，說明器件存在，拉低持續(xù)時間為60～240μs。

式中：為產(chǎn)品重心到軸端部的距離，取0.8 m；為產(chǎn)品質量，取400 kg；為轉速，3.5 r/s。

按梁簡化計算得出最大允許偏移量所產(chǎn)生的離心力在產(chǎn)品重心處所產(chǎn)生的撓度為

計算不同軸徑的Δ和并進行對比，結果如圖3 所示?？梢?，當軸徑＞0.04 m 時，允許偏移量始終大于最大撓度。為滿足設計要求，經(jīng)綜合考慮，選擇軸徑為0.05 m。

圖3 不同軸徑的偏移量和最大撓度Fig. 3 The offset and the maximum deflection for different shaft diameters

根據(jù)選擇的軸徑，對軸系中的深溝球軸承和推力軸承進行選擇，考慮軸承裝配工藝，分別對軸和軸承座進行設計。

軸設計中，考慮到聯(lián)軸器與軸、軸承與軸之間存在緊配合，為方便安裝可以將軸設計成變截面軸；推力軸承的上片內徑小于下片，上片與軸為過盈配合，下片與軸為間隙配合。

為方便軸承的安裝，軸承座可以設計成上粗下細的變截面。推力軸承上片為轉動部件，應保證其與軸承座為間隙配合；下片為不動部件，應保證其與軸承座為過盈或者過渡配合。為保證軸系旋轉的同軸度和平穩(wěn)度，應在軸系上下端各安裝一個徑向軸承。

軸系的設計如圖4 所示。

圖4 軸與軸承座組裝示意Fig. 4 Schematic diagram of assembly of shaft and bearing seat

2.3 軸系轉動應力參數(shù)仿真

為對變截面軸的強度進行校核，利用ABAQUS軟件按照設計尺寸建立軸的模型，在低速旋轉、小變形情況下，忽略軸向位移對橫向振動的影響。將2 個徑向軸承和1 個止推軸承分別簡化成剛體，邊界均為剛性固定，選擇軸承與軸的摩擦系數(shù)為0.001。產(chǎn)品為剛體模型，質量400 kg，轉動慣量為60 kg·m，質心為(0 m, 0.001 m, -0.5 m)，坐標原點為軸下端面中心點。模型裝配如圖5 所示。施加轉動角速度21 rad/s，軸系應力參數(shù)計算結果如圖6 所示?？梢姡兘孛孑S下端與產(chǎn)品連接處應力最大，為252 MPa，此外軸承安裝處應力也較大。仿真結果表明，最大應力小于軸強度，說明軸設計滿足要求。

圖5 轉動模型裝配圖Fig. 5 Assembly picture of the rotating model

圖6 軸系應力參數(shù)計算結果Fig. 6 Calculation results of axial stress parameters

3 轉動平穩(wěn)釋放機構

轉動平穩(wěn)釋放機構需要能連接和釋放產(chǎn)品，并保證在連接產(chǎn)品時轉動穩(wěn)定。現(xiàn)在普遍采用火工品裝置進行產(chǎn)品連接和解鎖，但這種分離裝置在爆炸解鎖的瞬間會釋放大量化學能，從而對結構產(chǎn)生很大的沖擊，且不可重復使用。目前試驗中常用的非火工解鎖裝置有電磁鐵和機械式釋放鉤。傳統(tǒng)電磁鐵需要一直通電，在轉動過程中可靠性較低。機械釋放鉤則在使用前通過機械方式鎖緊連接物，通電后由電磁力迅速打開機械鎖緊鉤，這種方式比傳統(tǒng)電磁鐵工作可靠性高，承載大。因此選用機械式釋放鉤作為釋放機構的主要部件。

釋放機構的設計參照2010 年發(fā)射的UNITEC-1立方星使用的包帶連接釋放裝置。該裝置包帶兩端通過螺栓相連，釋放時螺栓松開，包帶解鎖釋放衛(wèi)星，通過下法蘭中的圓柱彈簧推動實現(xiàn)納星釋放；為了防止納星自旋，通過納星本體下面的4 根圓柱對納星進行導向。本文設計對該裝置進行了改進，通過釋放鉤和圓柱桿實現(xiàn)連接、傳動、釋放和平穩(wěn)功能?？紤]到若是單鉤連接則產(chǎn)品仍具有5 個自由度，而雙鉤連接僅具有1 個自由度，更有利于產(chǎn)品穩(wěn)定，但雙鉤解鎖若不同步則會造成產(chǎn)品下落時傾斜，因此，選用2 個同型號、釋放間隔差＜2 ms 的釋放鉤，每個釋放鉤的靜態(tài)承載≥5×10kg。2 個釋放鉤分別與產(chǎn)品對接工裝通過“回字形”螺釘連接。

由于機械式釋放鉤只能提供一個方向的自由度約束，在轉動狀態(tài)下無法保證產(chǎn)品穩(wěn)定，所以設計一套平衡裝置來約束其余自由度。該平衡裝置利用作用力與反作用力平衡的思路，設計了4 根可調節(jié)支撐力的頂桿，其一端固定在轉動裝置法蘭上，另外一端插入與產(chǎn)品連接的法蘭上的鍵槽孔內；4 根桿上的螺母用于調節(jié)產(chǎn)品的水平度，通過這4 根桿可實現(xiàn)扭轉力矩傳遞并保證產(chǎn)品與軸系同心。試驗測量結果表明：軸下端圓跳度為0.02 mm，產(chǎn)品最下端的圓跳度為2 mm，該精度滿足設計要求。設計的平衡裝置克服了釋放鉤連接難以平穩(wěn)轉動的技術難點。

為了傳輸釋放鉤解鎖信號和產(chǎn)品上的火工品點火信號，在轉軸上安裝了一個12 通道的滑環(huán)，其額定轉速為1000 r/min，最大允許通過電流為40 A。轉動平穩(wěn)釋放機構如圖7 所示。

圖7 平穩(wěn)釋放機構Fig. 7 The mechanism for stable release

4 試驗驗證

將單端承載旋轉機構和轉動平穩(wěn)釋放機構采用上下連接的形式裝配組成旋轉失重試驗裝置（如圖8 所示）。

圖8 旋轉失重試驗裝置Fig. 8 The rotation and weightlessness test device

為了驗證該裝置的設計是否可滿足實際應用，開展了高速旋轉失重試驗。試驗在外場進行。整個試驗系統(tǒng)由龍門架、旋轉失重試驗裝置、產(chǎn)品和產(chǎn)品回收裝置組成（如圖9 所示）。

圖9 試驗系統(tǒng)示意Fig. 9 Schematic diagram of the test system

在較高轉速下，轉速大小與裝置的振動頻率成正比。如果振動頻率與其固有頻率接近，則會造成結構共振，進而導致結構損壞。為了避免共振現(xiàn)象產(chǎn)生，可以通過增加基座質量來降低裝置的固有頻率并且減小振幅。此外，若發(fā)生傾斜，則旋轉失重試驗裝置除受重力外，還會受到由重力產(chǎn)生的分量，會造成轉動不平穩(wěn)，因此需要保證整個試驗系統(tǒng)的垂直度——安裝旋轉失重裝置時通過水平儀進行檢測，在4 個安裝點通過厚度1 mm 的墊片進行整個裝置垂直度的調節(jié)。

試驗中通過增大龍門架質量來防止試驗系統(tǒng)的晃動。大跨度龍門架采用2 個質量分別約為4×10kg 的鑄塊（3.5 m×1.5 m×0.35 m）為基座，在每個基座上安裝2 個高2 m、質量2×10kg 的斜立柱，在2 個斜立柱上分別安裝1 根長1 m、質量7×10kg 的直立柱，采用2 根長6.3 m 的梁和3 根長4.2 m 的立柱拼接組成1 根長12.6 m 的橫梁。此時整個龍門架的質量約1.8×10kg，固有頻率約為9.7 Hz。但是若不增加基座，整個系統(tǒng)質量僅為6×10kg，固有頻率為16.9 Hz。當轉動速度為3.5 r/s時，由偏心產(chǎn)生的激振力頻率為21.98 Hz。因此，通過增加龍門架質量降低了整個系統(tǒng)的固有頻率，有效避免了結構共振發(fā)生。

在產(chǎn)品正下端鋪設產(chǎn)品回收裝置，與產(chǎn)品連接的法蘭和轉動法蘭之間連接2 根長1 m 的回收繩，當產(chǎn)品落到回收裝置上后，控制電機在2 s 內停止轉動，此時回收繩會纏繞在一起變成一根，這樣保證了產(chǎn)品不發(fā)生大角度傾倒?；厥绽K長度可以根據(jù)產(chǎn)品允許傾斜角度和落高進行確定。

試驗時，首先利用旋轉失重試驗裝置將產(chǎn)品旋轉至指定轉速；當轉速穩(wěn)定后，控制系統(tǒng)在0 s 發(fā)出釋放鉤解鎖信號，產(chǎn)品自由下落，處于自旋失重環(huán)境；0.2 s 后對產(chǎn)品發(fā)出火工品起爆信號，隨后由回收繩對剩余產(chǎn)品進行回收。側拍及俯拍高速攝像記錄的試驗過程顯示，產(chǎn)品轉動下落平穩(wěn)，傾斜角度未超過1°，達到了試驗任務要求。產(chǎn)品自旋失重試驗取得成功。

值得一提的是，試驗過程中在利用轉動平穩(wěn)釋放機構的支撐桿調節(jié)產(chǎn)品水平度時，需要較長的時間，故對原支撐桿設計方案提出改進，改成一個調節(jié)座的形式，如圖10 所示，這樣只需調節(jié)中間一根支撐桿便可以來調節(jié)水平度，從而可縮短試驗時間。

圖10 調節(jié)座Fig. 10 Adjusting seat

5 結束語

本文通過將單獨設計的單端承載旋轉機構和轉動平穩(wěn)釋放機構組合成一套單端承載旋轉失重試驗裝置，可以實現(xiàn)同時模擬產(chǎn)品自旋和失重兩種環(huán)境，成功完成了國內首例高轉速航天產(chǎn)品自旋失重試驗，解決了傳統(tǒng)試驗將這兩種環(huán)境分開考核不夠真實有效的問題。試驗中發(fā)現(xiàn)調節(jié)產(chǎn)品水平度的時間較長，為此對原設計方案進行了改進。