一種微低重力空間展開卸載系統的設計及應用

郭晨亮 楊 濤 王樹軍 焦云雷 王現沖

（1.天津航天機電設備研究所，天津 300458；2.內蒙古金崗重工有限公司，呼和浩特 010076）

一種微低重力空間展開卸載系統的設計及應用

郭晨亮1楊 濤1王樹軍2焦云雷1王現沖1

（1.天津航天機電設備研究所，天津 300458；2.內蒙古金崗重工有限公司，呼和浩特 010076）

為驗證機構設計的正確性和工作可靠性，通過分析探測器懸梯機構縱向空間展開過程，確定微低重力卸載系統的設計方案并建立數學模型。詳細設計微低重力卸載系統，應用于探月工程某探測月面微低重力環境下懸梯機構展開功能測試。同時，為其他機構產品在地面模擬月面環境或其他微低重力環境下的空間展開試驗驗證提供參考價值。

空間展開機構；微低重力；重力卸載系統；設計與應用

1 引言

為保證某懸梯機構在月球上能正常展開工作，必須在地面模擬月球環境下的功能，驗證機構在月球六分之一重力環境下的工作性能。模擬低重力的方法有柔性懸吊法、剛性懸吊法、氣浮支撐法、磁懸浮支撐法、液浮支撐法等方法來實現[1]。針對不同機構運動特性采用相應的模擬方法。本文主要介紹采用柔性懸吊法+氣浮支撐法來設計月球微低重力卸載系統，實現模擬月球重力環境下懸梯機構縱向展開功能。

2 懸梯機構工作過程及特點

2.1 懸梯縱向展開功能概述

某懸梯由2個并行的分段懸梯通過鉸鏈鉸接而成，通過彈簧驅動力在微低重力環境下同時展開并鎖定為剛體。在展開過程中較短的懸梯在重力環境下向重力方向運動，因此有利于展開，在微低重力環境下不考慮；較長懸梯展開過程運動方向與微低重力方向相反，因此需進行微低重力補償。2個懸梯質心跨距850mm，微低重力卸載系統必須滿足2個懸梯同時展開的功能，微低重力卸載系統在運動過程中不得發生干涉。某懸梯機構工作過程示意圖如圖1。

2.2 性能指標要求

a.月球低重力卸載系統應抵消整個運動部件重力的六分之五，允許誤差：±10%；

b.地面試驗時使外懸梯處于微低重力環境，提供拉力不小于30N；

c.在兩懸梯在展開運動過程中模擬月面重力裝置不得發生干涉；

d.低重力卸載系統要能夠在不同地點及環境重復使用。方法簡單、操作方便。

3 微低重力卸載方法及特點分析

3.1 微低重力卸載方法分析

根據重力抵消的原理，目前國際上通用的研究方法主要有落塔法、懸吊法、水浮法和氣浮法等[2，3]。通過查閱資料，主要采用懸吊法卸載，選取以下幾個方案進行對比、選擇，確定適用于此懸梯機構展開的功能的最佳方案。

表1從功能性、可靠性、穩定性、環境條件要求、制造成本、試驗成本、實現難易程度等方面，對“氣球恒力懸吊法”、“定滑輪低重力提升法”、“機構恒重力提升法”三種月球重力補償方法進行了比較。

表1 三種月球重力補償方法優缺點的比較[4]

由表1可以看出，微低重力卸載系統采用氣球恒力懸吊法既滿足功能要求成本又較低，容易實現，在不同試驗場地有很好的便捷性，是三種方法中最適合的一種微低重力補償方法。

3.2 氣球恒力懸吊法微低重力系統方案

在此機構地面微低重力環境試驗中，確定將采用氣球恒力懸吊法設計微低重力卸載系統。重力補償設備采用內膽、外皮式結構，因跨距850mm，采用環形與球復合的結構，消除展開過程干涉現象；在繩索的中間連接“恒力轉換裝置”（彈簧或橡皮筋），補償氣球靜止自身慣量的影響，增加氣球在懸梯展開過程中的穩定性，同時橡皮筋段增加保險繩，以防止拉斷橡皮筋；在氣球的根部掛配重袋，調節氣球拉力。方案示意圖如圖2所示。

氣球微低重力卸載系統可重復使用，且有一定的強度與可靠度，充氣介質選用氦氣。氣球雙層結構不僅具有一定的強度而且還增加提升能力。通過充氣、放氣過程簡便實現功能。

4 建立數學模型

針對氣球微低重力卸載系統的氣球與懸梯系統進行受力分析，以便建立數學模型。受力分析示意圖如圖3所示。

整個系統的要求為：

a.在靜止初始時刻氣球提供的浮力F浮=5/6g；

b.懸梯與豎直方向的初始夾角q=0；

c.彈簧的剛度系數很低，設為變量k；

d.懸梯在運動過程中q要求不能超過2π；

e.說明有彈簧的優點及分析出k與q的關系；

f.L為懸梯質心與轉軸間距。

4.1 利用動靜法列氣球對鉸鏈轉軸中心O的力系平衡方程

首先，運動分析過程中存在如下假設：

a.懸梯展開的過程中，所受浮力一直豎著向上；

b.彈簧的質量不計；

c.不考慮氣球的運動阻力；

d.繩子一直處于繃直狀態。

4.1.1 幾何參數關系

系統之間的結構參數關系如圖4所示。

假設彈簧在靜止時刻長度為L0，變形量為X0，運動過程中變形增量為Dx。

4.1.2 利用動靜法列力系平衡方程

a.對彈簧受力分析

如圖5所示，彈簧兩端力，大小相等方向相反；設彈簧剛度系數為k。

b.對氣球受力分析列氣球對于鉸鏈轉軸中心O的力系平衡方程

受力分析如圖6所示，假設氣球質量mq，氣球速度vq，氣球加速度aq。

4.2 利用動靜法列懸梯對鉸鏈轉軸中心O的力矩平衡方程

以懸梯為研究對象進行受力分析和運動分析，如圖7所示。

設鉸鏈處的渦卷彈簧提供的力矩：

4.3 以懸梯理想運動建立系統約束條件

4.4 求滿足約束條件的最優解

聯立式（1）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）、式（8）、式（9）、式（10）、式（12）得：

其中方程（15）為系統的目標約束。

聯立方程（14）、方程（15）可知：kDxLsinθ=0，氣球懸吊系統中模擬的懸梯運動符合真實情況，要求彈簧在運動中的變形增量為0，即氣球要完全滿足懸梯運動。

又根據系統得知，氣球是隨動的，因此該系統不能完全真實地模擬懸梯的展開運動。但在氣球與懸梯之間加上彈簧，能夠增加系統模擬的穩定性，可以較為真實地模擬懸梯的受力情況。

為了滿足系統的目標約束，較為準確地模擬懸梯受力，因此聯立方程（13）、（15）得：

在懸梯整個展開運動過程中彈性繩的變化過程為：變形增量Δx由最大變最小時，真實地模擬月面環境下懸梯展開過程；變形增量Δx由最小變最大時，懸梯已經完成展開鎖定，是模擬系統恢復過程。彈性繩變化的前半個過程，正是模擬系統的工作過程，更好地提高了月面環境重力卸載系統的穩定性。

5 氣球微低重力卸載系統設計

5.1 承力結構設計

重力補償設備采用內膽、外皮式結構，內膽用于充氣，外皮用于承力。考慮850mm的跨距，采用環形氣球和球形氣球符合的方式，環形氣球的內徑半徑大于850mm，球形氣球的繩索穿過環形氣球。內膽采用分瓣式熱壓連接呈球形，在下端面留充放氣口。外皮同樣采用分瓣式縫制連接，在四周分別設置4個繩索連接環，在下端留內膽充放氣口。繩索中間連接1m的橡皮筋彈性繩（選擇高彈性材料），在氣球根部設置配重袋，繩索采用棉質尼龍繩，總長4m。

5.2 材料設計

5.2.1 氣球內膽材料

氣球內膽選取氣密性好、重量輕的 TPU（Thermoplastic Urethane）膜。中文名稱為熱塑性聚氨酯彈性體，屬于高分子材料。TPU膜分為聚酯（ESTER）薄膜和聚醚（ETHER）薄膜系列。其中，聚酯薄膜具有強度高、韌性好、耐磨、耐寒、耐油、耐水、耐老化、耐熱性、耐化學溶劑性、氣密性佳、易加工等特性，厚度能達到0.015～0.80mm。因此，內膽材料為聚酯（ESTER）薄膜TPU膜，密度90g/m2，厚度為0.08mm，顏色為白色[5]。

5.2.2 氣球外皮材料

氣球外皮選取重量輕、抗拉強度好的30D高強錦綸66降落傘面料。100%高強錦綸66傘布，是由一種高密度、高強度抗斷裂的尼龍纖維材料織成，輕薄、柔軟性好、較高的抗撕裂強度和抗拉斷強度、防灼傷性好、抗老化性能好、耐磨性能好等特性，現已被廣泛用于航天航空領域、滑翔傘上、風帆特技風箏上。外皮選用KN601傘布，密度為36g/m2，顏色為白色。

5.3 體積計算過程

假設條件：a.不考慮氣球厚度，認為氣球排開空氣體積和氣球內氦氣的體積相同；b.假設氣球為標準圓球；c.考慮基地氣壓0.8，取安全系數1.2。

根據阿基米德原理浮力計算公式：F=ρgV；球體體積公式：V=4/3πR3；環形氣球體積公式：V=2π2R2(1+R)；氣球受力平衡方程：Fn=F浮-M氣球-M附，可計算出氣球的體積V及氣球半徑尺寸R。

其中，Fn：靜拉力；F?。簹馇蚋×?；V：氣球體積；M球：氣球重量；R：氣球半徑；M附：氣球附件重量；g取9.8N/kg。

已知條件：氣球內膽密度ρ內=90g/m3，氣球傘布外膽ρ外=36g/m2，空氣密度ρ空=1.29kg/m3，

氦氣密度ρ氦=0.18kg/m3，氣球附件估算重量：M附=1kg。

通過計算結果：球形氣球半徑R=1.14m，球形氣球體積V=6.21m3。

環形氣球內圓半徑R=1m，環形氣球截面圓直徑Φ=1.02m，環形氣球體積V=7.75m3。

5.4 恒力裝置設計

選取彈性元器件作為恒力裝置，根據彈性元器件不同的剛度滿足不同拉力需求。彈簧元器件一般選用拉簧、芳綸結構的彈性橡皮繩等。依據公式F=kx，k為彈性系數，根據提供拉力F值和運動行程x的值計算k。x行程取欲度為1.2～1.5。

彈性元器件需經過彈性系數測試，可依據機構質量選取，一般選取彈性系數k大于200N/m。

6 設計驗證及應用情況

6.1 氣密性檢測方法

氣球微低重力卸載系統的氣球材料選取正規廠家生產合格材料，經熱壓熔焊制成，其低溫性能和抗拉伸強度非常好，為提高載重能力，采用雙成結構。熱壓時主要控制溫度和壓力，溫度一般控制在(85±5)℃，壓力一般控制在30～40kg/m2。在內膽成型后進行氣密性檢驗，充空氣靜止7d無漏氣，合格后與外皮組裝，最后工序中用空氣進行氣密性檢驗，充滿空氣，放置1kg物體靜置7d，物體無下沉現象視為無漏氣。

6.2 漏率指標測試

以直徑為2.2m的圓球形氣球為測試對象，充氦氣至浮力52.6N時，通過觀測電子秤讀數變化來計算氣球微低重力卸載系統的泄漏率。測試浮力與漏率相對時間關系曲線如圖9所示。

6.3 氣球微低重力卸載系統應用情況

微低重力卸載系統成功應用與探月三期工程某機構的空間展開功能測試。經過多次試驗驗證，無失衡、漂移和干涉現象發生，提供拉力穩定，能滿足懸梯機構在微低重力環境下縱向空間展開卸載功能要求。在不同場地快速開展試驗，便攜性高、操作簡單、質量可靠。推廣應用于其他機構類似功能測試，為宇航產品研制提供有力保障?？臻g展開測試照片如圖10所示。

7 結束語

a.通過建立數學模型分析，采用氣球恒力懸吊法微低重力系統方案合理可行；

b.詳細設計出氣球微低重力卸載系統解決了機構微低重力下空間展開功能問題；

c.此系統成功應用于探月工程某探測器機構微低重力環境下懸梯機構展開功能測試；

d.為其他機構產品在地面模擬月面環境或其他微低重力環境下的縱向展開試驗驗證提供參考價值。

1 韋娟芳.衛星天線展開過程零重力環境模擬設備[J].空間電子技術，2006(2)：29～42

2 李團結，張琰，段寶巖.周邊桁架可展天線展開過程運動分析及控制[J].西安電子科技大學學報：自然科學版，2007，34(6)：916921

3 趙孟良，吳開成，關富玲.空間可展桁架結構動力學分析[J].浙江大學學報：工學版，2005，39(11)：1669～1674

4 從強.空間機構地面智能管理補償設備[C].見：航天器公差論文集.北京：北京空間飛行器總體設計部，2010.329～334

5 張一公.常用工程材料選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2007：587～589

Design andApplication ofAUnloading System of Spatial Deployment for Micro or Low Gravity

Guo Chenliang1Yang Tao1Wang Shujun2Jiao Yunlei1Wang Xianchong1
(1.Tianjin Aerospace Institute of Electrical and Mechanical Equipment,Tianjin 300458; 2.Inner Mongolia Jingang Heavy Industry Co.,Ltd,Hohhot 010076)

To verify the reliability and correctness of the mechanism design,the design programs of gravity unloading system are determined and the mathematical model is built by analyzing the process of the spatial deployment. The detailed design of the unloading system have been applied to a ramp mechanism in the lunar exploration program. This paper can provide some reference value for the spatial deployment experiment of mechanisms in micro or low gravity environment.

spatial deployment mechanism；micro or low gravity；gravity unloading system;design and application

郭晨亮（1983-），工程師，機械設計制造及其自動化專業；研究方向：航天器機構精密制造工藝設計及機電設備結構設計。

2017-02-06