韓瑋杰 尉瑞江 盆洪民 馮利明 孟慶昕

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300457）

0 引言

微小衛(wèi)星具有功能密度高、技術(shù)發(fā)展快、研制周期短、開發(fā)成本低以及部署應(yīng)用靈活等特點(diǎn)[1]，受到世界主要航天大國的重視，同時(shí)也被許多中、小發(fā)達(dá)國家和新興的發(fā)展中國家作為發(fā)展小衛(wèi)星技術(shù)的切入口[2]。

由于受運(yùn)載空間的限制，因此太陽電池翼在發(fā)射前全部是以折疊形式存放在整流罩中的。為了保證太陽翼順利展開，國內(nèi)外對太陽翼鉸鏈設(shè)計(jì)、鉸鏈裝配技術(shù)等方面進(jìn)行了大量研究。

國外對太陽翼鉸鏈機(jī)構(gòu)的研究起步相對較早，自20世紀(jì)60年代，國外的許多機(jī)構(gòu)和公司都對太陽電池翼鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究，并研制出多種類型的一次或多次機(jī)械式鉸鏈機(jī)構(gòu)[3]，且已具有相當(dāng)成熟的技術(shù)。國內(nèi)主要參照國外的成功案例進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，對鉸鏈展開過程的同軸度的研究較少。

通過模擬分析2018年、2019年某型號微小衛(wèi)星入軌后延遲問題發(fā)現(xiàn)，太陽翼鉸鏈的同軸度會嚴(yán)重影響太陽翼的順利展開。因此，該文對保證太陽翼順利展開的鉸鏈同軸度進(jìn)行研究。

1 太陽翼展開機(jī)構(gòu)鉸鏈自由轉(zhuǎn)動同軸度理論分析

1.1 同軸度分析

為了方便說明同一側(cè)鉸鏈同軸度對轉(zhuǎn)動的影響，將上側(cè)鉸鏈暫定為A鉸鏈，下側(cè)鉸鏈暫定為B鉸鏈，如圖1所示。

圖1 微小衛(wèi)星太陽翼鉸鏈

轉(zhuǎn)動軸在固定鉸和轉(zhuǎn)動鉸中是間隙配合的，轉(zhuǎn)動軸會在固定鉸中沿垂直太陽翼固定鉸安裝面的方向平行移動或相對固定鉸轉(zhuǎn)軸安裝孔軸線轉(zhuǎn)動。同時(shí)，轉(zhuǎn)動鉸也會相對轉(zhuǎn)動軸平行移動或相對固定鉸轉(zhuǎn)軸安裝孔軸線轉(zhuǎn)動。當(dāng)平行移動時(shí)，對同軸度的要求最高，因此分析平行移動時(shí)A鉸鏈和B鉸鏈的同軸度。以A鉸鏈為例，根據(jù)鉸鏈組件零件配合尺寸圖（圖2）（固定鉸孔徑?7 mm（0，+0.022），轉(zhuǎn)動鉸孔徑?7 mm（+0.05，+0.025），轉(zhuǎn)動軸軸徑?7 mm（-0.005，-0.02））的配合關(guān)系可知，當(dāng)轉(zhuǎn)動軸與固定鉸裝配時(shí)，轉(zhuǎn)動軸與固定鉸軸孔單邊最小間隙為0.002 5 mm；當(dāng)轉(zhuǎn)動軸與轉(zhuǎn)動鉸裝配時(shí)，轉(zhuǎn)動軸與轉(zhuǎn)動鉸軸孔單邊最小間隙為0.015 0 mm。

圖2 鉸鏈組件裝配

由于轉(zhuǎn)動軸與固定鉸配合孔之間的間隙為微米級，因此假定轉(zhuǎn)動軸與固定鉸無相對運(yùn)動，則轉(zhuǎn)動鉸配合孔相對轉(zhuǎn)動軸的軸向單邊最小間隙為0.015 mm，即A鉸鏈在轉(zhuǎn)動軸與轉(zhuǎn)動鉸同軸度為?0.03 mm的范圍內(nèi)可以靈活轉(zhuǎn)動；同理，B鉸鏈在轉(zhuǎn)動軸與轉(zhuǎn)動鉸同軸度為?0.03 mm的范圍內(nèi)也可以靈活轉(zhuǎn)動。

以A鉸鏈為裝配基準(zhǔn)，為了保證B鉸鏈裝配完成后2套鉸鏈能靈活轉(zhuǎn)動，就必須保證裝配完成后2套鉸鏈的同軸度滿足各自的轉(zhuǎn)動區(qū)域且轉(zhuǎn)動區(qū)域有重合，如果沒有重合，就會出現(xiàn)2套鉸鏈卡死的情況，太陽翼基板無法順利展開，只有當(dāng)2套鉸鏈各自轉(zhuǎn)動軸與轉(zhuǎn)動鉸之間的單邊間隙小于或等于0.03 mm時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)A鉸鏈、B鉸鏈的同時(shí)轉(zhuǎn)動，即2套（A鉸鏈、B鉸鏈）鉸鏈自由轉(zhuǎn)動時(shí)同軸度須小于或等于?0.06 mm。

為了保證太陽翼基板順利展開，就需要保證太陽翼機(jī)構(gòu)2套鉸鏈的同軸度滿足精度要求。在實(shí)際鉸鏈裝配過程中，為了使鉸鏈同軸度量化，采用控制2套鉸鏈同軸度在上述?0.06 mm圓的內(nèi)接四邊形范圍內(nèi)變化的方法，即通過2套鉸鏈水平方向偏差ΔM和豎直方向偏差ΔN來保證2套鉸鏈的同軸度。

1.2 展開最大同步距離

對2套鉸鏈同軸度的影響分為A、B鉸鏈固定鉸尺寸的偏差和裝配過程的偏差。最惡劣情況為ΔM=ΔN且滿足同軸度小于或等于?0.06 mm，即2套轉(zhuǎn)軸在水平方向偏差和豎直方向偏差不超過0.02 mm。要保證惡劣情況下的同軸度，就需要通過工藝措施來控制2套鉸鏈中的固定鉸的轉(zhuǎn)軸孔距底面和側(cè)邊的距離精度，從而控制2套鉸鏈軸孔對同一基準(zhǔn)的距離偏差，使其滿足同軸度小于或等于?0.06 mm的需求。

該文把保證太陽翼正常展開的2套鉸鏈轉(zhuǎn)軸的最大同軸度值稱為展開最大同步距離。

2 太陽翼鉸鏈裝配

為了保證太陽翼鉸鏈通過一次裝配就滿足同軸度的要求，設(shè)計(jì)了保證同軸度的工藝裝備，并在完成太陽翼鉸鏈的裝配工作后，對太陽翼的展開力矩進(jìn)行測試，驗(yàn)證太陽翼的展開性能是否良好，確保在軌順利展開。

2.1 太陽翼展開機(jī)構(gòu)鉸鏈展開最大同步距離驗(yàn)證

為保證A、B鉸鏈的同軸度滿足要求，在裝配過程中，要求工藝裝備固定鉸安裝面的2個(gè)凸臺面的平面度優(yōu)于0.01 mm，凸臺左側(cè)的靠面直線度優(yōu)于0.01 mm，最外側(cè)的工藝裝備邊緣相對凸臺靠面的平行度優(yōu)于0.01 mm。分別實(shí)測2組鉸鏈軸線到工裝邊緣水平距離M和豎直高度N，豎直水平距離各取4點(diǎn)，計(jì)算得到最大偏差ΔM、ΔN，驗(yàn)證是否滿足公式（1）。

分別測量N1、N2、N3、N4、M1、M2、M3和M4，取△Nmax與△Mmax帶入公式（1），如果滿足，那么2套鉸鏈的同軸度滿足展開最大同步距離的要求，2套鉸鏈在轉(zhuǎn)動過程無卡制。

該文分別對地面試驗(yàn)裝配、力學(xué)試驗(yàn)前整星裝配、力學(xué)試驗(yàn)后整星裝配以及發(fā)射場整星裝配4個(gè)過程中太陽翼同軸度進(jìn)行研究。

每次裝配前，先將鉸鏈A和鉸鏈B安裝在同軸度測試工藝裝備上，實(shí)測N1、N2、N3、N4、M1、M2、M3和M4，M值理論尺寸為8.5 mm，N值理論尺寸為14.5 mm，實(shí)測結(jié)果見表1～表4。

表1 M值與N值實(shí)測值（地面試驗(yàn)裝配）（單位：mm）

表2 M值與N值實(shí)測值（力學(xué)試驗(yàn)前整星裝配）（單位：mm）

表3 M值與N值實(shí)測值（力學(xué)試驗(yàn)后整星裝配）（單位：mm）

表4 M值與N值實(shí)測值（發(fā)射場整星裝配）（單位：mm）

2.1.1 地面試驗(yàn)裝配

△Mmax=0.01，△Nmax=0。將數(shù)值

帶入公式（1），得到0.02<0.06，2套鉸鏈同軸度滿足展開最大同步距離的要求。

2.1.2 力學(xué)試驗(yàn)前整星裝配

△Mmax=0，△Nmax=0.01。將數(shù)值帶入公式（1），得到0.02<0.06，2套鉸鏈同軸度滿足展開最大同步距離的要求。

2.1.3 力學(xué)試驗(yàn)后整星裝配

△Mmax=0.01，△Nmax=0。將數(shù)值帶入公式（1），得到0.02<0.06，2套鉸鏈同軸度滿足展開最大同步距離的要求。

2.1.4 發(fā)射場整星裝配

△Mmax=0.01，△Nmax=0。將數(shù)值帶入公式（1），得到0.02<0.06。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，4次太陽翼裝配后的2套鉸鏈同軸度均滿足展開最大同步距離的要求。

2.2 鉸鏈裝配后轉(zhuǎn)動功能驗(yàn)證

每次調(diào)試好2套鉸鏈的同軸度后，將太陽翼與鉸鏈A、鉸鏈B安裝好，拆除同軸度調(diào)節(jié)工裝，將帶有鉸鏈的太陽翼安裝在太陽翼展開力矩測試的工藝裝備上，驗(yàn)證鉸鏈A與鉸鏈B的裝配滿足轉(zhuǎn)動要求，測試太陽翼展開和收攏過程中的力矩，如果轉(zhuǎn)動過程無卡滯，展開力矩?zé)o明顯波動并在理論值范圍內(nèi)，就證明太陽翼可以在軌順利展開。

在展開力矩測試過程中，需要保證拉力方向垂直于太陽翼基板，通過移動平臺勻速拉動拉力計(jì)，拉動方向與太陽翼展開或收攏方向一致，并記錄拉力計(jì)的最大讀數(shù)。

分別在3個(gè)位置（30 °、60 °和90 °）測試太陽翼的力矩。在每個(gè)位置對太陽翼施加外力矩M1和M2，使太陽翼分別在展開方向和收攏方向達(dá)到靜力平衡狀態(tài)，即可通過M1和M2計(jì)算得到展開力矩和摩擦阻力矩。太陽翼通過展收試驗(yàn)得到的展開力矩和摩擦阻矩如圖3所示。

在圖3中，還分別展示了太陽翼在4個(gè)不同階段裝配后實(shí)測的進(jìn)程剛度曲線和回程剛度曲線。在4張圖片中，太陽翼的進(jìn)程剛度與回程剛度的一致性很好。通過進(jìn)程剛度與回程剛度的關(guān)系計(jì)算得到摩擦阻矩，摩擦阻矩隨太陽翼展開有變小的趨勢，與摩擦阻矩設(shè)計(jì)值變化趨勢一致，說明太陽翼裝配可靠，精度滿足要求，展開過程順利無卡制。

圖3 展開力矩與摩擦阻矩變化曲線

3 結(jié)語

針對微小衛(wèi)星太陽翼在軌無法順利展開的問題，該文以典型的微小衛(wèi)星太陽翼鉸鏈為例，對保證太陽翼鉸鏈同軸度的條件進(jìn)行研究，給出了保證太陽翼順利展開的同軸度公差范圍的計(jì)算方法，提出了展開最大同步距離的概念，通過理論推導(dǎo)得出了該距離的計(jì)算公式。同時(shí)，在該理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了保證同軸度的工藝裝備，并在該基礎(chǔ)上對微小衛(wèi)星太陽翼裝配技術(shù)進(jìn)行研究，通過展開試驗(yàn)驗(yàn)證了該理論和裝配方法的可行性和有效性，提出雙軸甚至多軸太陽翼的裝配方法，為后續(xù)提高太陽翼裝配工藝技術(shù)提供了理論依據(jù)。并且，該裝配工藝方法已成功應(yīng)用到2顆衛(wèi)星太陽翼鉸鏈的裝配中，太陽翼在軌順利展開。該太陽翼裝配技術(shù)使太陽翼的裝配一次完成，減少了反復(fù)調(diào)整太陽翼、鉸鏈與衛(wèi)星之間的裝配關(guān)系的次數(shù)，節(jié)省了裝配時(shí)間，提高了太陽翼裝配工藝技術(shù)，滿足了后續(xù)微小衛(wèi)星太陽翼批量化生產(chǎn)的需求，適應(yīng)了航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要。根據(jù)該理論和方法還可以為多軸鉸鏈太陽翼機(jī)械部分結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)建議。