路瑞龍,張從發(fā),韓靜濤,黎 彪,劉 勇,于春宇,李占華

(1. 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083； 2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部,北京 100094；3. 石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,石家莊 050043)

0 引 言

隨著航天器技術(shù)進(jìn)步,空間展開(kāi)機(jī)構(gòu)的種類與應(yīng)用也越來(lái)越多?？臻g展開(kāi)機(jī)構(gòu)是指在發(fā)射時(shí)將部件收攏成可抗發(fā)射載荷的滿足發(fā)射包絡(luò)的收攏態(tài),入軌后將部件展開(kāi)至工作位置的機(jī)構(gòu)。根據(jù)航天器部件在展開(kāi)前后形狀變化特點(diǎn),空間展開(kāi)機(jī)構(gòu)分為線狀展開(kāi)機(jī)構(gòu),面狀展開(kāi)機(jī)構(gòu),體狀展開(kāi)機(jī)構(gòu)。作為一種線狀展開(kāi)機(jī)構(gòu),卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)相比于機(jī)械式展開(kāi)機(jī)構(gòu)具有體積小、重量輕、自驅(qū)動(dòng)以及自剛化等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)備受各類航天器用戶青睞,特別是在“張衡一號(hào)”、“嫦娥四號(hào)”、“天問(wèn)一號(hào)”等空間探測(cè)器上成功應(yīng)用,卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)成為此類展開(kāi)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。在小衛(wèi)星領(lǐng)域,卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)契合了小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型通用化、小型化、專用化、多功能一體化的多元同步發(fā)展態(tài)勢(shì)。因此,研究卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)具有重要意義。

為了總結(jié)與借鑒卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),促進(jìn)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展,本文對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展與應(yīng)用狀況進(jìn)行了闡述,提出了卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)與建議,旨在為航天器卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的組成特點(diǎn)、工作原理及分類

卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)(如圖1所示),通常被稱為STACER(Spiral tube and actuator for controlled extension and retraction),不同于傳統(tǒng)航天器展開(kāi)機(jī)構(gòu),由動(dòng)力源、傳動(dòng)副和執(zhí)行部件構(gòu)成,卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)是一體化設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu),動(dòng)力源、傳動(dòng)副和執(zhí)行部件全部通過(guò)核心部件卷筒式伸桿實(shí)現(xiàn),是一種典型的基于材料特性的展開(kāi)機(jī)構(gòu),動(dòng)力源由儲(chǔ)存于材料內(nèi)部的彈性能提供,傳動(dòng)副和執(zhí)行部件亦是由材料構(gòu)型的變化而實(shí)現(xiàn)。卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)采用驅(qū)動(dòng)支撐一體化設(shè)計(jì),具有輕質(zhì)、大收納比、小收攏包絡(luò)、自驅(qū)動(dòng)、自剛化等特點(diǎn)；還具有一維直線展開(kāi)、軌跡可控、布局方便,高可靠性等優(yōu)點(diǎn)；特殊的連續(xù)螺旋薄殼構(gòu)型使其具備良好的熱對(duì)稱性,避免了非封閉伸桿機(jī)構(gòu)的熱顫現(xiàn)象。

圖1 卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)Fig.1 STACER

卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的主要核心部件卷筒式伸桿(又稱彈性卷筒,Spiral Tube,有時(shí)為了簡(jiǎn)化也將卷筒式伸桿稱為STACER)是由一定寬度的超薄金屬帶材,以恒定直徑()、恒定螺旋角()與螺距()制成的類薄壁管。收攏狀態(tài)為超薄帶卷,展開(kāi)狀態(tài)為螺旋纏繞管,后一圈緊抱住前一圈,相鄰兩圈具有一定的重疊率,在幾何約束和層間接觸摩擦力的耦合作用下,形成具有一定剛度的類薄壁管,如圖2 所示。

圖2 展開(kāi)狀態(tài)卷筒式伸桿示意圖Fig.2 Schematic drawing of a deployed STACER

卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)按應(yīng)用范圍分為三類：1)作為電場(chǎng)儀等有效載荷的可伸縮支撐桿,如POLAR、FAST、THEMIS、RBSP、DEMETER探測(cè)器等；2)作為探測(cè)天線,如STEREO、MAVEN、Solar Orbiter等探測(cè)器；3)作為其它展開(kāi)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)源,如STEREO衛(wèi)星上的IMPACT套筒機(jī)構(gòu)等。

卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)按使用方式分為單次和可重復(fù)使用兩種形式,如圖3和圖4所示,可重復(fù)使用STACER具有展開(kāi)輔助裝置,如圖4(c)所示。

圖3 單次使用卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of a single-use STACER

圖4 可重復(fù)使用卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)及其輔助裝置Fig.4 Reusable STACER and its deployment assist device

2 卷筒式伸桿的研究進(jìn)展

卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)作為一種彈簧天線可以追溯到20世紀(jì)60年代,由美國(guó)Hunter彈簧公司(現(xiàn)屬于Ametek公司)研發(fā)出來(lái)。由于此類天線的獨(dú)有特性,被廣泛用于航天與軍事項(xiàng)目。它可以依靠自身驅(qū)動(dòng)力迅速展開(kāi)至全長(zhǎng),長(zhǎng)度可達(dá)10 m以上,常用作天線、天線支撐結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能陣列支撐結(jié)構(gòu)、線性致動(dòng)器、能量吸收器、遠(yuǎn)程定位、傳感器探頭等。

Bale等稱,STACER是一種螺旋的、具有固定螺距、固定直徑的扁彈簧,可以根據(jù)需要選擇不同板帶寬度、厚度,螺旋直徑和螺距,使STACER在不同的應(yīng)用中發(fā)揮最佳性能。大多數(shù)STACER產(chǎn)品長(zhǎng)度為1～10 m,直徑可變范圍為4～55 mm,可以提供高于200 N的展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力,典型的制作材料為不銹鋼、鈹青銅和Elgiloy合金。

NASA和歐空局(ESA)對(duì)于卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的研究與應(yīng)用均較早。然而,由于其應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性,幾乎所有的報(bào)道與論著都不涉及卷筒式伸桿的成形原理與工藝細(xì)節(jié),僅有極少數(shù)文獻(xiàn)[5]給出了制作卷筒式伸桿時(shí)采用的典型材料,較為籠統(tǒng)地介紹了卷筒式伸桿的尺寸規(guī)格與主要特性參數(shù)；報(bào)道中對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的描述主要側(cè)重于應(yīng)用型號(hào)及其在該型號(hào)中發(fā)揮的主要功能上。

中國(guó)于2012年在“張衡一號(hào)”電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星上開(kāi)展了卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)研制,隨后又成功將其應(yīng)用于“嫦娥四號(hào)”月球探測(cè)器和“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器。以下將從卷筒式伸桿的成形原理探索、成形工藝、仿真優(yōu)化、設(shè)備與產(chǎn)品制造、性能測(cè)試等方面展開(kāi)論述。

2.1 卷筒式伸桿的成形原理探索

2014年,北京科技大學(xué)李占華等對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)核心部件卷筒式伸桿(又稱彈性卷筒)的成形原理進(jìn)行了初步探索,采用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)沒(méi)有螺旋角的扁平螺旋彈簧(卷筒式伸桿初探模型)建立了有限元模型,模擬與冷卷繞過(guò)程如圖5所示,板帶在后張力作用下,通過(guò)固定裝置,逐漸纏繞于芯軸上。

圖5 冷卷繞過(guò)程示意圖Fig.5 Schematic diagram of cold winding process

該研究在不同參數(shù)條件下分析了彈簧回彈后的殘余應(yīng)力變化規(guī)律：外層最大,內(nèi)層最小,且殘余應(yīng)力隨著后張力的增加而增大；另外,殘余應(yīng)力隨著彈簧成形直徑的增加而增大；且殘余應(yīng)力隨著彈簧板材厚度的增加而增大,在板材寬度方向由邊緣到中心呈先下降再上升的規(guī)律,類似于“Ω”狀。

基于卷筒式伸桿構(gòu)型與使用要求,主要采用板料彎曲成形原理。李占華對(duì)板料彎曲成形的研究現(xiàn)狀以及彎曲回彈的預(yù)測(cè)與控制進(jìn)行了細(xì)致地研究,在板料彎曲理論方面采用了Hill中性層移動(dòng)概念,利用了指數(shù)強(qiáng)化材料模型與更能反映材料特性的Hill各向異性屈服準(zhǔn)則,在反向加載過(guò)程中,采用了混合強(qiáng)化模型,對(duì)卷筒式伸桿的成形方法進(jìn)行了理論建模研究,形成了拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲(Composi-ting stretch and press bending,CSPB)成形原理：在壓彎模具基礎(chǔ)上,對(duì)帶材兩側(cè)施加張力,并使帶材自一側(cè)拉出,當(dāng)帶材與模具法向呈一定角度喂料時(shí),可實(shí)現(xiàn)卷筒式伸桿的成形,成形原理如圖6所示。成形模具結(jié)構(gòu)由凸模和凹模構(gòu)成,板帶以一定角度置于兩模具之間,此角度與卷筒式伸桿的自然螺旋角直接相關(guān)。

圖6 CSPB成形原理模型圖Fig.6 CSPB forming principle model

2.2 卷筒式伸桿成形數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

卷筒式伸桿類似于恒力彈簧,其優(yōu)異性能依賴于卷層各位置等自然曲率的特性,2016年與2017年,北京科技大學(xué)與中國(guó)空間技術(shù)研究院的研究人員結(jié)合有限元顯式(Explicit)算法與隱式(Standard)算法的各自優(yōu)勢(shì),利用ABAQUS軟件對(duì)此構(gòu)件的成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)影響成形過(guò)程的關(guān)鍵工藝參數(shù)后張力、模具間隙、模具圓角、帶材厚度分別進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,結(jié)果表明,通過(guò)帶材兩側(cè)的張力作用與反向彎曲,有效改善了冷成形卷筒式伸桿制件的殘余應(yīng)力,提高了冷成形制件的穩(wěn)定性；總結(jié)出關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程的影響規(guī)律：隨成形間隙減小,帶材彎曲曲率半徑減小,隨著變形程度的增加,卷筒式伸桿構(gòu)件成形直徑減?。浑S著模具圓角減小,成形直徑減?。缓髲埩υ?～30 N范圍內(nèi)對(duì)制件直徑影響不大,增大后隨之影響加?。浑S帶材厚度增加,成形直徑先減小后增加；通過(guò)試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)表現(xiàn)出相同的規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)的最大數(shù)值誤差小于8%,驗(yàn)證了模擬數(shù)據(jù)的可靠性,可作為生產(chǎn)實(shí)踐的依據(jù)。

2.3 卷筒式伸桿成形設(shè)備與工藝的研究進(jìn)展

2017年,北京科技大學(xué)與中國(guó)空間技術(shù)研究院的研究人員根據(jù)卷筒式伸桿成形數(shù)值模擬與樣機(jī)試驗(yàn)工藝參數(shù)分析,設(shè)計(jì)制造了成形設(shè)備,具有開(kāi)卷、收卷、成形、帶材糾偏、后張力給定等功能；成形過(guò)程主要驅(qū)動(dòng)力由收卷側(cè)提供,采用伺服電機(jī)結(jié)合PLC控制,實(shí)時(shí)監(jiān)控成形過(guò)程；為滿足不同制件螺旋角的需求,設(shè)備加入螺旋角調(diào)整裝置,成形設(shè)備如圖7所示。

圖7 卷筒式伸桿成形設(shè)備Fig.7 Forming equipment for the spiral tube

利用成形設(shè)備,通過(guò)上料與引帶、成形工藝參數(shù)調(diào)整、卷筒式伸桿逐漸成形、產(chǎn)品出件等工藝過(guò)程進(jìn)行卷筒式伸桿的制備。卷筒式伸桿實(shí)物如圖8所示。

圖8 卷筒式伸桿實(shí)物圖Fig.8 Photo of the spiral tube

2.4 卷筒式伸桿性能測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)展

2017年北京科技大學(xué)與中國(guó)空間技術(shù)研究院的研究人員對(duì)卷筒式伸桿關(guān)鍵服役力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試與研究：1)展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力測(cè)試,測(cè)試原理如圖9所示,在展開(kāi)起始階段,展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力為40 N左右,隨著展開(kāi)過(guò)程持續(xù),展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力下降,在其衰減至平穩(wěn)段時(shí),展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力為25 N左右,可實(shí)現(xiàn)全過(guò)程穩(wěn)定展開(kāi)與自支撐。2)彎曲剛度測(cè)試,測(cè)試時(shí)將卷筒式伸桿一端水平固支,卷筒式伸桿作為懸臂受重力作用而自然下垂,通過(guò)測(cè)量其頂端最大撓度值來(lái)計(jì)算彎曲剛度。彎曲剛度測(cè)試原理如圖10所示。經(jīng)測(cè)試與計(jì)算,卷筒式伸桿彎曲剛度值可達(dá)23.78 kg.m,接近于同類型薄壁管元件彎曲剛度值(26.9 kg.m)。3)指向精度測(cè)試,測(cè)試原理如圖11所示,在簡(jiǎn)化模型中采用偏離角來(lái)衡量指向性的優(yōu)劣,經(jīng)測(cè)試,偏離角小于0.6°,很好地滿足了卷筒式伸桿展開(kāi)指向精度要求。

圖9 展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力測(cè)試示意圖Fig.9 Measurement of the driving force during deployment

圖10 彎曲剛度測(cè)試原理Fig.10 Test principle of the bending stiffness

圖11 指向精度測(cè)試原理Fig.11 Test principle of the pointing precision

以上關(guān)鍵服役力學(xué)性能測(cè)試還相對(duì)有限,不能全面體現(xiàn)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)在軌服役時(shí)性能發(fā)揮的優(yōu)劣,也不能體現(xiàn)出其在軌服役時(shí)與航天器其他部件的耦合性能關(guān)系。因此,我們應(yīng)該綜合分析航天器力學(xué)環(huán)境,采用先進(jìn)的理論方法,高精度的有限元模型與修正技術(shù),并且精確地設(shè)計(jì)出力學(xué)環(huán)境條件,為卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)更加有效地應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2016年,清華大學(xué)吳江對(duì)卷筒式伸桿建立了柔性多體動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)其展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行了仿真,得出卷筒式伸桿的兩種展開(kāi)模式：金屬帶各圈由內(nèi)而外逐次展開(kāi)和各圈幾乎同步展開(kāi)。通過(guò)仿真、試驗(yàn)與理論分析,揭示了卷筒式伸桿準(zhǔn)靜態(tài)展開(kāi)時(shí)兩種展開(kāi)模式下展開(kāi)推力的變化規(guī)律,但最新結(jié)果表示僅能對(duì)700 mm長(zhǎng)卷筒式伸桿進(jìn)行仿真分析。卷筒式伸桿的仿真分析需要從薄殼的物理、幾何、平衡方程出發(fā),利用有限元方法進(jìn)行數(shù)值求解,主要困難在于問(wèn)題的強(qiáng)非線性,并且還是一個(gè)動(dòng)態(tài)問(wèn)題,每增加一個(gè)伸展步長(zhǎng),都要求解一個(gè)“靜態(tài)”非線性問(wèn)題；同時(shí),受鋼帶厚度(0.1～0.15 mm)制約,鋼帶網(wǎng)格單元不能過(guò)疏,這又進(jìn)一步加劇了數(shù)值仿真的難度。為滿足大尺寸卷筒式伸桿的分析驗(yàn)證,需要進(jìn)一步開(kāi)展仿真研究。另外,此研究對(duì)特定成形方式制件得到了較為吻合的結(jié)果,其他方式成形制件的仿真與試驗(yàn)結(jié)果有待進(jìn)一步探究。

2016年,中國(guó)空間技術(shù)研究院于春宇等針對(duì)卷筒式伸桿應(yīng)用變分方法的思想,以研究鋼帶變形的幾何特性為基礎(chǔ),構(gòu)造出鋼帶構(gòu)型恰當(dāng)?shù)目赡芎瘮?shù)空間,并利用形狀函數(shù)隨伸展長(zhǎng)度的變化規(guī)律求出鋼帶的主應(yīng)變以及變形能,再利用勢(shì)能極小原理,確定出鋼帶真實(shí)構(gòu)型以及相應(yīng)的變形能,最終利用變形能和虛功原理得出伸展力。此方法既簡(jiǎn)化了計(jì)算又得到了鋼帶形狀函數(shù)、展開(kāi)力的近似解形式,為展開(kāi)力影響因素的定量分析提供了條件。

2019年,北京航空航天大學(xué)吳健等對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程仿真實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究,建立了展開(kāi)過(guò)程原理樣機(jī)與計(jì)算模型,在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析結(jié)果基礎(chǔ)上建立了機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程的參數(shù)化動(dòng)力學(xué)仿真模型,并實(shí)現(xiàn)了仿真結(jié)果可視化。然而,此研究是基于材料力學(xué)理論進(jìn)行的研究,應(yīng)從更多方面考慮物理、幾何與邊界條件等問(wèn)題,不宜對(duì)模型進(jìn)行過(guò)度簡(jiǎn)化,以免影響仿真結(jié)果的可靠性。

2020年,中國(guó)空間技術(shù)研究院與北京科技大學(xué)的研究人員針對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)在發(fā)射過(guò)程中彈性卷筒部件與執(zhí)行器的應(yīng)力狀態(tài)與穩(wěn)定性,應(yīng)用顯示動(dòng)力學(xué)方法建立了有限元模型,研究了卷筒式伸桿頂端直徑對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)展開(kāi)和收攏過(guò)程的影響,以及卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)收攏與展開(kāi)過(guò)程中帶材表面摩擦系數(shù)與加速度對(duì)展開(kāi)穩(wěn)定性的影響,機(jī)械測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的受力趨勢(shì)相近,為卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)射參數(shù)改進(jìn)提供了理論借鑒。

2020年,中國(guó)空間技術(shù)研究院黎彪等針對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的展開(kāi)剛度問(wèn)題,分析了卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的工作原理,基于等效連續(xù)體模型推導(dǎo)了卷筒式伸桿的構(gòu)形參數(shù)與剛度的關(guān)系式,分析了卷筒式伸桿末端螺旋角、末端半徑、帶厚、帶寬對(duì)展開(kāi)剛度的影響。分析得出：末端半徑的增大能同時(shí)提高卷筒式伸桿的一階頻率和比剛度,而帶寬的增大將導(dǎo)致卷筒式伸桿的一階頻率和比剛度均降低；卷筒式伸桿的一階頻率隨帶厚的增加近似線性增大,但比剛度隨帶厚的增大而近似按雙曲線規(guī)律下降,卷筒式伸桿末端螺旋角在62°～75°時(shí),卷筒式伸桿的比剛度可獲得最優(yōu)值。卷筒式伸桿的剛度測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致,校驗(yàn)了理論分析方法的有效性。該研究成果對(duì)卷筒式伸桿展開(kāi)剛度的影響因素做了較為準(zhǔn)確的研究,為卷筒式伸桿的應(yīng)用提供了很好的借鑒。

2021年,欣諾冷彎型鋼產(chǎn)業(yè)研究院(曹妃甸)有限公司與北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部的研究人員針對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)發(fā)明：1)一種輕小型線性展開(kāi)機(jī)構(gòu)并給出了其使用方法,該機(jī)構(gòu)采用支撐一體化設(shè)計(jì),展開(kāi)長(zhǎng)度0.5～2 m,收攏體積小于?0.04 m×0.1 m,質(zhì)量小于200 g,具有超小體積收納,超輕質(zhì)量,且展開(kāi)狀態(tài)具有較好剛度的優(yōu)點(diǎn),為深空科學(xué)探測(cè)提供了一種收納體積小,重量輕的線性展開(kāi)機(jī)構(gòu)；2)一種無(wú)扭轉(zhuǎn)預(yù)緊力加載裝置及方法,適用于卷筒式伸桿壓緊,操作簡(jiǎn)便,能夠?qū)︻A(yù)緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,而且被壓緊裝置不承受扭轉(zhuǎn)載荷,保證了被壓緊裝置內(nèi)多個(gè)部件的相對(duì)位置關(guān)系；3)一種測(cè)試彈性卷筒熱變形的系統(tǒng)和方法,該方法不影響待測(cè)彈性卷筒的展開(kāi)與展開(kāi)精度,具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn),且搭建簡(jiǎn)單、實(shí)施快捷高效、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。

3 卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用狀況

近年來(lái),從探測(cè)火箭傳感器到末端有大質(zhì)量載荷的重力梯度伸桿,已經(jīng)有超過(guò)700多套卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)被應(yīng)用于各類航天器。在大部分應(yīng)用中,STACER被用作支撐桿,將載荷直接安裝于頂端。

1996年～2020年,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和歐空局(ESA)將卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用于多個(gè)探測(cè)器,1996年2月24日NASA發(fā)射了POLAR系列衛(wèi)星,該系列衛(wèi)星上的等離子體波儀(Plasma wave instrument,PWI)與電場(chǎng)儀(Electric fields instrument,EFI)被同時(shí)布置在端到端距離為14 m的剛性STACER末端,伸桿軸線與航天器自旋軸同軸,卷筒式伸桿在航天器發(fā)射前處于收攏狀態(tài),航天器進(jìn)入預(yù)定軌道后逐漸展開(kāi),將有效載荷伸展至遠(yuǎn)離星體的位置以便進(jìn)行無(wú)干擾探測(cè)。

1996年8月21日NASA發(fā)射了FAST系列衛(wèi)星,該系列衛(wèi)星載荷中磁場(chǎng)和電場(chǎng)探測(cè)載荷的軸向伸桿由卷筒式伸桿、導(dǎo)向和支撐輥、展開(kāi)輔助裝置、帶電場(chǎng)偏置元件的球形傳感器和碳纖維外殼構(gòu)成。卷筒式伸桿元件采用0.12 mm(厚)×126 mm(寬)的Elgiloy合金冷成形制成,具有恒定的自由螺旋直徑和螺旋角。對(duì)于單根STACER,軸對(duì)稱的圓周熱流使其具有熱對(duì)稱性的優(yōu)勢(shì),另外,它不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng),而且線纜可以很容易地從STACER中心穿過(guò)。2000年7月和8月NASA和ESA發(fā)射了CLU-STER系列(4顆)衛(wèi)星,該系列衛(wèi)星均采用了5 m長(zhǎng)的卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)來(lái)支撐磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)；2004年6月底法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNES)發(fā)射了DEMETER系列衛(wèi)星,該系列衛(wèi)星的四個(gè)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x分別使用了四個(gè)球形電極和嵌入式前置放大器裝載于卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)頂端,在距離星體4 m的位置進(jìn)行電場(chǎng)探測(cè)。2006年NASA發(fā)射了STEREO系列航天器,該航天器上粒子與日冕物質(zhì)拋射原位測(cè)量?jī)x(IMPACT)和日地關(guān)聯(lián)波探測(cè)天線(S/WAVES)也采用了STACER,在IMPACT中,Elgiloy材質(zhì)的STACER被固定在IMPACT伸桿頂端,作為超高溫電子探測(cè)儀(STE-D)和太陽(yáng)風(fēng)電子分析儀(SWEA)載荷的剛性支撐；而S/WAVES則選用鈹青銅STACER,直接作為天線使用。

2007年至今NASA發(fā)射了5顆THEMIS系列衛(wèi)星,在該系列衛(wèi)星的科學(xué)載荷中,軸向電場(chǎng)測(cè)量機(jī)構(gòu)采用可展開(kāi)剛性伸桿支撐鞭狀傳感器以完成對(duì)Z軸電場(chǎng)的測(cè)量,每個(gè)軸向剛性伸桿機(jī)構(gòu)由卷筒式伸桿、滾輪支撐作為展開(kāi)輔助裝置、前置放大器、鞭狀傳感器、線纜和線軸組成,如圖12所示。

圖12 THEMIS在軌伸桿展開(kāi)構(gòu)型圖Fig.12 Configuration of THEMIS with the booms deployed on-orbit

2012年NASA發(fā)射了RBSP系列(2顆)衛(wèi)星,這兩顆衛(wèi)星分別安裝了兩根6 m長(zhǎng)的軸向伸桿(STACER)將電場(chǎng)儀伸至遠(yuǎn)離星體的位置進(jìn)行電場(chǎng)探測(cè)；2013年NASA發(fā)射了MAVEN火星探測(cè)器,其上裝載的朗繆爾探針與波探測(cè)儀(LPW)使用了兩根伸桿和兩個(gè)傳感器,兩根伸桿均為鈹青銅材質(zhì)卷筒式伸桿,長(zhǎng)約7.1 m,可以提供大約10 N的軸向展開(kāi)力,在其頂端安裝有前置放大器和傳感器,以便進(jìn)行有效的科學(xué)探測(cè)。

2020年NASA發(fā)射了Solar Orbiter探測(cè)器,在此探測(cè)器的科學(xué)儀器中,最重要的是射頻等離子體波儀(Radio and plasma waves,RPW),三個(gè)RPW電天線均包含一個(gè)1 m長(zhǎng)的剛性伸展臂和一根6.5 m長(zhǎng)的STACER,STACER正是電傳感器本身,如圖13中射頻等離子體波儀三根天線所示,由Co基無(wú)磁高彈性Elgiloy合金制成,為航天器載荷探測(cè)任務(wù)提供了可靠保障。

圖13 太陽(yáng)軌道器有效載荷構(gòu)型圖Fig.13 Payload accommodation onboard the Solar Orbiter

另外,卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)因其具有輕質(zhì)、小收攏包絡(luò)尺寸、自驅(qū)動(dòng)展開(kāi)(減少對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)能源、電控系統(tǒng)的需求)等特點(diǎn),越來(lái)越多地被應(yīng)用到微小衛(wèi)星上,如NASA研制的TERSat衛(wèi)星和CENEMA立方星(如圖14所示),均采用卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)作為主載荷的伸展機(jī)構(gòu)。

圖14 CINEMA立方星示意圖Fig.14 Schematic of CubeSat CINEMA

在中國(guó),卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)已應(yīng)用于多個(gè)航天器,典型應(yīng)用描述如下。

2018年2月2日中國(guó)發(fā)射的“張衡一號(hào)”電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星上裝載了四套電場(chǎng)探測(cè)儀(如圖15所示),電場(chǎng)探測(cè)儀的探頭支撐桿采用了卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)組件,為高精度探測(cè)電場(chǎng)提供了可靠保障。

圖15 衛(wèi)星載荷與伸桿布局圖Fig.15 Satellite layout design of payload and booms

2018年12月8日中國(guó)發(fā)射了“嫦娥四號(hào)”月球探測(cè)器,“嫦娥四號(hào)”工程首次實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器在月球背面軟著陸與巡視探測(cè),并首次實(shí)現(xiàn)通過(guò)地月L2點(diǎn)中繼星將探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地球,為實(shí)現(xiàn)探測(cè)器對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的低頻電場(chǎng)和著陸區(qū)上空的月球電離層探測(cè),“嫦娥四號(hào)”著陸器上新增了低頻射電頻譜儀,低頻射電頻譜儀采用三分量(矢量)接收天線來(lái)接收太陽(yáng)和空間電磁信號(hào)。圖16給出了“嫦娥四號(hào)”月球探測(cè)器低頻射電頻譜儀三分量接收天線(天線A、B、C)模型圖,三分量接收天線均采用5 m長(zhǎng)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu),通過(guò)在月球背面進(jìn)行低頻射電天文觀測(cè),精確測(cè)量來(lái)自太陽(yáng)、行星和其他宇宙天體電波信號(hào),對(duì)研究天體演化具有重要科學(xué)意義。

圖16 低頻射電頻譜儀三分量接收天線Fig.16 Tri-pole antenna of the very low frequency radio spectrometer

在深空探測(cè)領(lǐng)域,中國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器于2020年7月23日發(fā)射成功。“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器上的四根偶極子天線,即為卷筒式伸桿機(jī)構(gòu),它們解決了有效載荷及特殊功能構(gòu)件需求與運(yùn)載條件限制之間的矛盾,使有效載荷可以有效發(fā)揮探測(cè)功能。

在“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器上,卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)(偶極子天線)被用作火星軌道器次表層探測(cè)雷達(dá)(Mars orbiter subsurface investigation radar MOSIR)軸與軸天線,與其他天線共同進(jìn)行火星表面材料成分、次表層結(jié)構(gòu)和電離層的總電子含量研究,同時(shí)它們也可以在火星轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)行被動(dòng)觀測(cè),之后將有效載荷探測(cè)的科學(xué)數(shù)據(jù)向地面回傳。

4 卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)及建議

縱觀卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)發(fā)展歷程,從大型航天器到微小衛(wèi)星,從有效載荷支撐桿到天線或驅(qū)動(dòng)單元,卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)逐漸向著小型化、輕量化、大收納比和高精度的方向發(fā)展。

1)微小衛(wèi)星的發(fā)展促進(jìn)了卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)向小型化方向發(fā)展；

2)受航天器發(fā)射質(zhì)量制約,輕量化是卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要方向；

3)作為航天器展開(kāi)機(jī)構(gòu),通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)構(gòu)型增大收納比,是在輕量化基礎(chǔ)上保證卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)有效應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向；

4)在卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的研究與應(yīng)用中,要確?！皦旱镁o、解得開(kāi)、展得開(kāi)、控得住、保得住”原則,要在卷筒式伸桿與展開(kāi)輔助機(jī)構(gòu)之間精準(zhǔn)匹配,須逐漸提高產(chǎn)品與輔助機(jī)構(gòu)的精度要求,因此,高精度要求要貫穿在卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)研究與應(yīng)用始終。

為了使卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)在航天探測(cè)領(lǐng)域高精度應(yīng)用,還需攻克以下幾方面關(guān)鍵技術(shù)：

1)在卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)采用的結(jié)構(gòu)材料方面,目前已有不銹鋼、鈹青銅和Elgiloy合金。需改進(jìn)現(xiàn)有材料的成形性能,保證材料對(duì)不同成形工藝的適用性,另外需開(kāi)發(fā)新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,促進(jìn)輕量化的同時(shí)提高伸桿展開(kāi)精度。

2)開(kāi)發(fā)新成形工藝,進(jìn)一步提高卷筒式伸桿各卷層的抱緊程度,提高展開(kāi)狀態(tài)彎曲剛度,有效控制較長(zhǎng)伸桿構(gòu)型錐度大小,以滿足更高精度要求。

3)增加卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)性能測(cè)試指標(biāo),力求更加全面地對(duì)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行掌控,須對(duì)航天器力學(xué)環(huán)境進(jìn)行更加細(xì)致地分析,采用先進(jìn)的理論,建立高精度有限元模型與修正技術(shù),設(shè)計(jì)出精確的服役力學(xué)環(huán)境條件,反饋指導(dǎo)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的研究與應(yīng)用過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的研究與應(yīng)用進(jìn)展分析,指出了卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)小型化、輕量化、大收納比和高精度的發(fā)展趨勢(shì),提出了為實(shí)現(xiàn)卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)高精度應(yīng)用還需進(jìn)一步攻克的關(guān)鍵技術(shù),可為卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。