鄭正路，趙 婷，楊 飛，焉 寧，唐 超

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

空間模擬碎片釋放裝置技術(shù)方案

鄭正路1，趙 婷2，楊 飛3，焉 寧1，唐 超1

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

為配合空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)的演示驗(yàn)證試驗(yàn)，提出了一種空間模擬碎片釋放裝置的技術(shù)方案：由模擬碎片及分離解鎖裝置組成。模擬碎片不具備任何合作特征，最初通過(guò)壓緊桿與分離解鎖裝置相連，釋放時(shí)由火工切割器切斷壓緊桿，模擬碎片在壓縮彈簧的驅(qū)動(dòng)下與分離解鎖裝置分離。最后，通過(guò)靜載、模態(tài)、運(yùn)動(dòng)特性分析及分離解鎖試驗(yàn)驗(yàn)證了該釋放裝置設(shè)計(jì)的正確性。

模擬碎片；非合作目標(biāo)；釋放裝置；分離解鎖試驗(yàn)；仿真分析

0 引言

需要予以清除的失效衛(wèi)星、空間碎片等大多為非合作目標(biāo)，故應(yīng)開(kāi)展空間非合作目標(biāo)主動(dòng)清除技術(shù)的在軌演示試驗(yàn)驗(yàn)證[1]。在試驗(yàn)驗(yàn)證中，模擬碎片及其釋放裝置至關(guān)重要，模擬碎片需具備空間非合作目標(biāo)的主要特征，而釋放裝置則應(yīng)在模擬碎片可靠解鎖分離的過(guò)程中不產(chǎn)生其他多余物。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外有關(guān)模擬碎片釋放裝置的公開(kāi)報(bào)道很少，沒(méi)有可直接借鑒的成果。本文結(jié)合非合作目標(biāo)主動(dòng)清除試驗(yàn)的需求，針對(duì)上述問(wèn)題研制了一套模擬碎片的釋放裝置，開(kāi)展了仿真及地面試驗(yàn)工作。

1 技術(shù)需求分析

該空間模擬碎片釋放裝置主要用于空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)的演示驗(yàn)證試驗(yàn)，其具體的技術(shù)要求如下：

1）模擬碎片需具備非合作目標(biāo)的主要特征；2）模擬碎片表面狀態(tài)滿足探測(cè)設(shè)備的要求；3）模擬碎片與分離解鎖裝置分離后，不得改變其外形特性；4）為防止對(duì)其他設(shè)備的污染，模擬碎片分離后不得產(chǎn)生多余物。

2 方案設(shè)計(jì)及分析

2.1 裝置基本組成及原理

該空間模擬碎片釋放裝置主要由模擬碎片本體（包括上、下端蓋）及分離解鎖裝置等組成（見(jiàn)圖 1）。

分離解鎖裝置在發(fā)射入軌后，根據(jù)控制系統(tǒng)提供的火工品點(diǎn)爆供電信號(hào)，起爆火工品，完成模擬碎片本體和分離解鎖裝置的解鎖分離。

模擬碎片釋放裝置通過(guò)壓緊桿將模擬碎片本體與鎖緊基座連接，采用火工切割器切斷壓緊桿觸發(fā)解鎖并由壓縮彈簧驅(qū)動(dòng)分離。模擬碎片本體設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，以收納與模擬碎片相連的部分分離解鎖裝置，并確保模擬碎片的外形特征不發(fā)生改變。

2.2 模擬碎片本體的設(shè)計(jì)

目前空間碎片的來(lái)源主要是軌道碰撞所產(chǎn)生的碎片[2]，呈現(xiàn)出點(diǎn)線的特性。根據(jù)這些共有特性將模擬碎片設(shè)計(jì)成一個(gè)26面體，且為純結(jié)構(gòu)體，具備非合作目標(biāo)的所有特征[3]，如圖2所示。

模擬碎片本體內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，用于被剪斷壓緊桿的收納?？紤]到安裝工藝，需將模擬碎片本體設(shè)計(jì)為上端蓋與下端蓋兩部分，兩部分采用螺釘連接，并在上端蓋的頂部設(shè)置通氣孔。直接用壓緊桿壓緊模擬碎片并與分離解鎖裝置相連，碎片本體空腔的頂部放置了一個(gè)緩沖墊以吸收壓緊桿剪斷分離的能量。模擬碎片剖面如圖3所示。

模擬碎片表面進(jìn)行噴砂和本色陽(yáng)極氧化處理。噴砂處理是為了增加模擬碎片的表面粗糙度[4]，以滿足探測(cè)設(shè)備對(duì)表面紋理信息的要求[5]。在噴砂處理后，對(duì)模擬碎片本體進(jìn)行本色陽(yáng)極氧化處理，使其表面產(chǎn)生一層氧化膜，以防止其在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生表面腐蝕[6]。

2.3 分離解鎖裝置方案設(shè)計(jì)

分離解鎖裝置主要由鎖緊基座、火工切割器、壓緊桿組件、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等組成，如圖4所示。

1）鎖緊基座

鎖緊基座起連接固定模擬碎片的作用，上端與模擬碎片本體錐面接觸，下端通過(guò)螺栓固定在安裝面上。鎖緊基座為壓緊桿組件、火工切割器及微動(dòng)開(kāi)關(guān)提供安裝接口和安裝空間。基座的結(jié)構(gòu)外形如圖5所示。

2）壓緊桿

壓緊桿選用TC4材料，須保證在承受最大剪切載荷時(shí)仍能可靠鎖緊。為了使接觸面不發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)，必須對(duì)壓緊桿施加足夠的預(yù)緊力。此外，壓緊桿還應(yīng)起到協(xié)調(diào)分離解鎖裝置其他相關(guān)零件尺寸位置關(guān)系的作用。最終確定壓緊桿結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3）加載螺母

加載螺母選用 TC4材料，用于壓緊桿的有效加載。在完成加載后，還應(yīng)使用MS螺紋連接膠實(shí)施防松處理。

4）黃銅球墊

黃銅（H62）球墊用于分離解鎖裝置裝配時(shí)的對(duì)中調(diào)節(jié)，即使模擬碎片的多面球體中心孔與鎖緊基座中心孔精確對(duì)中，同時(shí)保證壓緊桿與接觸面的垂直度要求。由于兩個(gè)接觸面中間均開(kāi)有通孔，給裝配對(duì)中帶來(lái)一定的難度，為了保證裝配的精度要求，在加載螺母一側(cè)（加載螺母與被連接件之間）加設(shè)了一個(gè)黃銅球墊。黃銅球墊的使用除了滿足裝配的精度要求，還可使壓緊桿只承受沿桿長(zhǎng)方向的預(yù)載，避免因桿彎扭導(dǎo)致的變形而使切斷后的模擬碎片無(wú)法向上下分離運(yùn)動(dòng)。為保證黃銅球墊與多面體內(nèi)部底面球窩之間的良好接觸同時(shí)避免發(fā)生真空冷焊[7]，其表面須噴涂二硫化鉬。

5）壓縮彈簧

為了保證壓緊桿被火工切割器切斷后與加載螺母連接的部分作向上（遠(yuǎn)離基座方向）運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)壓縮彈簧及其限位螺母，避免該部分與多面球體內(nèi)部頂面撞擊后產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致被切斷的壓緊桿又彈回至基座通孔中，阻礙分離。壓縮彈簧選用不銹鋼的圓柱形壓縮彈簧。

6）火工切割器

火工品由2個(gè)鈍感單橋電點(diǎn)火器組件和1個(gè)火工切割器本體組件組成。其中火工切割器是分離解鎖的執(zhí)行元件，工作時(shí)，利用裝藥的爆轟能量通過(guò)機(jī)械切割方式將壓緊桿切斷?；鸸で懈钇鳂?gòu)型如圖7所示。另外，為滿足使用溫度的要求，在火工切割器上進(jìn)行了多層隔熱材料的包覆。

3 仿真分析計(jì)算

3.1 模態(tài)計(jì)算

在火箭發(fā)射上升段，模擬碎片釋放裝置固定在安裝板上，需要承受發(fā)射中的振動(dòng)和沖擊載荷。為此，需要對(duì)模擬碎片釋放裝置進(jìn)行模態(tài)分析。

模擬碎片釋放裝置進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分后的模型如圖8所示，其約束面為基座下表面。

前4階模態(tài)振型如圖9所示。從分析結(jié)果可以看出，解鎖前裝置結(jié)構(gòu)的一階基頻為 220.97 Hz，大于70 Hz的技術(shù)指標(biāo)要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 靜載分析

模擬碎片釋放裝置的靜載過(guò)載分析分為 3個(gè)階段實(shí)施，第一階段：跨階段至最大動(dòng)壓時(shí)段；第二階段：助推器發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)前；第三階段：助推器發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)。

建立靜載分析的模擬碎片釋放裝置有限元模型如圖10所示。各階段靜載有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖11～圖13（安全系數(shù)取1.5）。

由分析結(jié)果得到，第二階段靜載試驗(yàn)中壓緊桿出現(xiàn)了474.25 MPa的最大應(yīng)力值，但該應(yīng)力在材料強(qiáng)度允許的使用范圍內(nèi)，且安全系數(shù)為1.47；其余構(gòu)件的應(yīng)力值均較小。這表明模擬碎片釋放裝置設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生損壞。

3.3 分離后運(yùn)動(dòng)特性分析

模擬碎片分離后沿分離方向運(yùn)動(dòng)，為確保運(yùn)動(dòng)的模擬碎片不對(duì)其他機(jī)構(gòu)造成損壞，需對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。圖14給出了模擬碎片分離后的速度變化曲線，可以看出模擬碎片的最大分離速度約為0.4 m/s，滿足≤1.5 m/s的指標(biāo)要求，不會(huì)對(duì)其他機(jī)構(gòu)造成破壞。

4 分離解鎖試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬碎片釋放裝置設(shè)計(jì)的合理性，考察分離后模擬碎片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行了模擬碎片釋放裝置的地面分離解鎖試驗(yàn)，如圖15所示。

試驗(yàn)時(shí)將模擬碎片釋放裝置固定在安裝板上，在模擬碎片下方放置一塊海綿墊，以防止模擬碎片跌落后受損。

點(diǎn)爆火工品后，模擬碎片完成解鎖分離，斷桿的一部分縮進(jìn)了模擬碎片本體內(nèi)，其余部分留在分離解鎖裝置內(nèi)，如圖16和圖17所示。

通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，模擬碎片的解鎖分離正常（壓緊桿縮進(jìn)模擬碎片內(nèi)部，模擬碎片表面無(wú)凸起物），沒(méi)有產(chǎn)生多余物，也沒(méi)有造成對(duì)其他設(shè)備的污染。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)各種空間碎片的特性，設(shè)計(jì)了一種類球形多面體的模擬碎片以及模擬碎片釋放裝置，用以開(kāi)展空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了模擬碎片的正常解鎖分離，且模擬碎片的分離速度等指標(biāo)均滿足驗(yàn)證試驗(yàn)的要求。

（References）

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（編輯：肖福根）

A technical solution for a space simulated debris release device

ZHENG Zhenglu1, ZHAO Ting2, YANG Fei3, YAN Ning1, TANG Chao1
(1. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China;2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China;3. School of Mechatronic Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

For the space debris active clean-up technology demonstration validation test, a technical solution for the space simulated debris launching device is proposed. The device consists of the simulated debris and its separating and unlocking device. The simulated debris is connected with the separating and unlocking device through the pressing rod initially not related to the debris and cut off by a pyrotechnic cutter,and the simulated debris is separated from the separating and unlocking device by a compression spring. The design is verified by the modal analysis, the static load analysis, the motion characteristics analysis, and the separation and unlock test.

simulated debris; non-cooperative target; release device; separation and unlock test;simulation analysis

V416.8

：A

：1673-1379(2017)03-0301-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.013

鄭正路（1985—），男，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)楹教爝\(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。 E-mail: zhengzhenglu33103@163.com。

2016-11-14；

2017-05-15

鄭正路, 趙婷, 楊飛, 等. 空間模擬碎片釋放裝置技術(shù)方案[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(3)： 301-305

ZHENG Z L, ZHAO T, YANG F, et al. A technical solution for a space simulated debris release device[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 301-305