黃杰，侯鵬，李志慧，尤超藍(lán)

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衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣平展試驗(yàn)的沖擊測(cè)試與沖擊抑制

黃杰1，侯鵬2，李志慧2，尤超藍(lán)1

（1. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109； 2. 上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

為準(zhǔn)確測(cè)試衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣平展試驗(yàn)過(guò)程中的沖擊影響，降低沖擊帶來(lái)的負(fù)面影響，文章對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)了沖擊測(cè)試方案以及沖擊抑制機(jī)構(gòu)，并以某型號(hào)太陽(yáng)電池陣為例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：測(cè)試方案可對(duì)平展試驗(yàn)中產(chǎn)品所受沖擊情況進(jìn)行有效評(píng)估；使用沖擊抑制機(jī)構(gòu)后鉸鏈處的沖擊得到了有效抑制。

衛(wèi)星；太陽(yáng)電池陣；水平展開(kāi)；沖擊測(cè)試；沖擊抑制

0 引言

太陽(yáng)電池陣為在軌衛(wèi)星提供必需的電能，是衛(wèi)星能量輸入的最根本來(lái)源[1]，其在軌性能優(yōu)劣直接決定衛(wèi)星任務(wù)成敗。為充分驗(yàn)證太陽(yáng)電池陣展開(kāi)時(shí)間、沖擊量級(jí)以及收攏和展開(kāi)狀態(tài)下的模態(tài)等性能，需要模擬在軌使用環(huán)境進(jìn)行地面展開(kāi)試驗(yàn)[2]。常規(guī)太陽(yáng)電池陣地面展開(kāi)試驗(yàn)一般采用豎直懸吊或氣浮展開(kāi)方式，以消除重力的影響。近年來(lái)，隨著光學(xué)遙感衛(wèi)星的不斷發(fā)展，光學(xué)載荷質(zhì)量越來(lái)越大，如果仍采用傳統(tǒng)豎直展開(kāi)方式進(jìn)行太陽(yáng)電池陣展開(kāi)試驗(yàn)則需要將衛(wèi)星橫向翻轉(zhuǎn)，勢(shì)必使光學(xué)系統(tǒng)受到應(yīng)力影響。而光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)力變形一旦無(wú)法恢復(fù)，將造成相機(jī)系統(tǒng)的永久損傷，對(duì)型號(hào)任務(wù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。故有進(jìn)行太陽(yáng)電池陣水平展開(kāi)試驗(yàn)的需求。

太陽(yáng)電池陣水平展開(kāi)試驗(yàn)過(guò)程中，電池陣根部和板間鉸鏈所承受的沖擊力是否滿足產(chǎn)品指標(biāo)要求，是試驗(yàn)的重要考量因素。為此，本課題組對(duì)太陽(yáng)電池陣水平展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)電池陣水平展開(kāi)試驗(yàn)過(guò)程中各關(guān)節(jié)處的沖擊測(cè)試方案及沖擊抑制機(jī)構(gòu)，并在衛(wèi)星初樣階段進(jìn)行驗(yàn)證，在正樣階段進(jìn)行實(shí)施[3-4]。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)試方案設(shè)計(jì)

太陽(yáng)電池陣水平展開(kāi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 太陽(yáng)電池陣水平展開(kāi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

太陽(yáng)電池陣由3塊基板和1個(gè)連接架鉸接組成。其中，為連接架，、、分別為內(nèi)板、中板、外板。在連接架、內(nèi)板、中板、外板的重心位置設(shè)置懸掛點(diǎn)，通過(guò)單點(diǎn)懸掛系統(tǒng)可抵消系統(tǒng)重力。假設(shè)連接架與基板均為剛體，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中忽略其自身彈性變形，只考慮大范圍運(yùn)動(dòng)。為了方便分析，設(shè)連接架長(zhǎng)度為0=20，質(zhì)心偏心距為0；各基板長(zhǎng)度均為=2，且質(zhì)心即基板幾何中心。Sensor-1～3為各關(guān)節(jié)處的沖擊測(cè)點(diǎn)，沖擊傳感器采用KISTLER公司的8790M04型振動(dòng)傳感器（分辨率為40mV/），數(shù)據(jù)采集器為L(zhǎng)MS公司的SCADASⅢ動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器（數(shù)據(jù)采樣頻率102.4kHz），滿足測(cè)量需求。

按照太陽(yáng)電池陣水平展開(kāi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得出平展系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程式[5-6]如下：

式(1)、(2)中，下標(biāo)為構(gòu)件序號(hào)，=0, 1, 2, 3時(shí)分別代表連接架、內(nèi)板、中板、外板。

太陽(yáng)電池陣通過(guò)在鉸鏈處安裝扭簧來(lái)驅(qū)動(dòng)基板展開(kāi)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)鉸鏈上都安裝有扭簧，根部鉸鏈處的扭簧提供的動(dòng)力矩要大于板間鉸鏈的扭簧動(dòng)力矩。

式中：pre為扭簧預(yù)扭轉(zhuǎn)角度；為扭簧的剛度系數(shù)；Δ為鉸鏈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)過(guò)的角度。根據(jù)實(shí)際測(cè)量太陽(yáng)電池陣壓緊釋放前和展開(kāi)鎖定后的力矩值，可以得出扭簧的預(yù)扭矩pre和剛度系數(shù)。

2 沖擊響應(yīng)仿真

對(duì)太陽(yáng)電池陣基板邊緣、、點(diǎn)在水平展開(kāi)過(guò)程中的沖擊響應(yīng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2～圖4所示。

由圖2可知：展開(kāi)過(guò)程中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)比較平滑，鎖定時(shí)點(diǎn)的方向運(yùn)動(dòng)位移為1.4m，速度近似為0，加速度為-0.3m/s2；方向的速度為1.1m/s，加速度為0.23m/s2。

由圖3可知：鎖定時(shí)點(diǎn)的方向運(yùn)動(dòng)位移為1.8m，速度近似為0，加速度為-0.3m/s2；方向的速度為1.4m/s，加速度為0.3m/s2。

圖3 展開(kāi)過(guò)程B點(diǎn)位移、速度和加速度仿真結(jié)果

由圖4可知：展開(kāi)過(guò)程中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)比較平滑，鎖定時(shí)點(diǎn)的方向運(yùn)動(dòng)位移為3.1m，速度近似為0，加速度為-0.3m/s2；方向的速度為0.4m/s，加速度為0.08m/s2。

圖4 展開(kāi)過(guò)程C點(diǎn)位移、速度和加速度仿真結(jié)果

3 沖擊抑制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)展開(kāi)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)（單點(diǎn)）平衡重懸掛系統(tǒng)，如圖5所示。該裝置主要由導(dǎo)軌、3個(gè)定滑輪、1個(gè)動(dòng)滑輪、恒力彈簧、快速剎車機(jī)構(gòu)和配重等組成。

圖5 單點(diǎn)平衡重懸掛系統(tǒng)原理圖

為了減少太陽(yáng)電池陣鎖定后配重對(duì)太陽(yáng)電池陣的沖擊影響，在定滑輪3處安裝單點(diǎn)快速剎車機(jī)構(gòu)。太陽(yáng)電池陣鎖定的瞬間，傳感器檢測(cè)到鎖定信號(hào)，快速剎車機(jī)構(gòu)即對(duì)吊繩實(shí)施剎車；當(dāng)配重停止運(yùn)動(dòng)后，剎車機(jī)構(gòu)放開(kāi)吊繩。具體機(jī)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 單點(diǎn)快速剎車機(jī)構(gòu)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

選用某星初樣鑒定件太陽(yáng)電池陣進(jìn)行水平展開(kāi)試驗(yàn)驗(yàn)證。該產(chǎn)品由1個(gè)連接架、3塊基板、壓緊釋放機(jī)構(gòu)、展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)和CCL組件等組成。太陽(yáng)電池陣收攏狀態(tài)單翼疊高為234mm，板間距為16mm，連接架與內(nèi)板間的距離為15.5mm，連接架與BAPTA法蘭面中心的間距為52.5mm，每塊基板的設(shè)計(jì)尺寸為1500mm×1350mm。太陽(yáng)電池陣單翼展開(kāi)狀態(tài)的展長(zhǎng)為5007.2mm，其板間距為56mm，連接架與BAPTA法蘭面之間的間距為104.2mm。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 某衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣平展試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

為了更好地評(píng)價(jià)展開(kāi)過(guò)程的沖擊情況，需進(jìn)一步測(cè)試太陽(yáng)電池陣鉸鏈處的沖擊。分別在根部鉸鏈處、內(nèi)板與中板鉸鏈處、中板與外板鉸鏈處安裝加速度傳感器（即傳感器1～3），以測(cè)量其展開(kāi)鎖定時(shí)的沖擊響應(yīng)。圖8和圖9分別為無(wú)剎車機(jī)構(gòu)和有剎車機(jī)構(gòu)2種工況下的加速度傳感器測(cè)量結(jié)果。

圖8 加速度測(cè)量數(shù)據(jù)（無(wú)剎車機(jī)構(gòu)）

圖9 加速度測(cè)量數(shù)據(jù)（有剎車機(jī)構(gòu)）

按無(wú)剎車機(jī)構(gòu)、有剎車機(jī)構(gòu)2種工況，每種工況重復(fù)展開(kāi)試驗(yàn)4次，提取各測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的最大值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：板間鉸鏈處的沖擊響應(yīng)相對(duì)較大，根部鉸鏈處的沖擊響應(yīng)相對(duì)較小，但均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求值（20）；剎車機(jī)構(gòu)一定程度上提供了緩沖作用，從圖8、圖9的對(duì)比可以看出：沖擊響應(yīng)衰減至峰值20%以下，所需要的時(shí)間在無(wú)剎車機(jī)構(gòu)條件下分別為1.22 s（方向）和0.61s（方向），有剎車機(jī)構(gòu)條件下分別為8.24 s（方向）和4.12s（方向），分別延長(zhǎng)了7.02 s和3.51s，緩和了系統(tǒng)能量消散過(guò)程，避免了太陽(yáng)電池陣遭受沖擊破壞和影響。

表1 某型號(hào)太陽(yáng)電池陣水平展開(kāi)試驗(yàn)沖擊測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了太陽(yáng)電池陣平展試驗(yàn)過(guò)程中的沖擊測(cè)試方案以及沖擊抑制機(jī)構(gòu)，在某型號(hào)初樣鑒定太陽(yáng)電池陣展開(kāi)試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明，平展試驗(yàn)方案中，產(chǎn)品所受沖擊情況得到有效評(píng)估，使用沖擊抑制機(jī)構(gòu)后鉸鏈處的沖擊得到有效抑制，引入剎車機(jī)構(gòu)后，和方向沖擊響應(yīng)衰減至峰值20%以下所需的時(shí)間分別延長(zhǎng)了7.02和3.51s。

需要說(shuō)明的是：

1）本文僅對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)處的沖擊情況進(jìn)行了仿真與測(cè)試，為評(píng)價(jià)太陽(yáng)電池陣整板所受沖擊情況，需要深入研究太陽(yáng)電池陣沖擊的傳遞關(guān)系，通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)響應(yīng)推算整板響應(yīng)情況，全面預(yù)測(cè)電池陣在軌展開(kāi)的沖擊狀態(tài)。

2）本測(cè)量方法屬接觸測(cè)量，傳感器、采集線纜等附加重量的影響不可完全忽略。后續(xù)有必要進(jìn)一步研究非接觸測(cè)量技術(shù)，降低測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差。

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（編輯：張艷艷）

Measurement and suppression of impact in horizontal deployment test for satellite solar array

HUANG Jie1, HOU Peng2, LI Zhihui2, YOU Chaolan1

(1.Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China; 2.Shanghai Institute of Satellite Equipment, Shanghai 200240, China)

In order to accurately determine the impact of the satellite solar array in its horizontal development test process, and reduce the negative effects of the impact during the test, a mathematical model is established for simulating the test process. The impact test scheme and the impact inhibition mechanism are designed. As an example, a model test is carried out for a certain satellite’s solar array to verify the impact effect during the development process. The results show that the impact suppression mechanism works well with an effective suppression of the acceleration at the hinges.

satellite; solar array; horizontal deployment; impact test; impact suppression

V416.5; TH112

A

1673-1379(2018)02-0118-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.003

黃杰（1982—），男，高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星精度測(cè)量、可靠性保證、項(xiàng)目管理等專業(yè)研究。E-mail: huangmen_2207@qq.com。

2017-11-15；

2018-03-19

軍委專項(xiàng)基金項(xiàng)目（編號(hào)：17-163-18-XX-001-054-01）