開閉式充排氣口蓋裝置技術(shù)研究

賈磊　王悅　張濤　彭波　張慶利

摘 要：充排氣口蓋裝置是實(shí)現(xiàn)航天器艙內(nèi)外壓力平衡的主要機(jī)械裝置。文章提出一種有源驅(qū)動(dòng)的可重復(fù)開閉式充排氣口蓋裝置，以開閉速度快、可靠性高、剛度高、重復(fù)使用性好為目標(biāo)，完成了機(jī)電一體化機(jī)械裝置方案設(shè)計(jì)，并通過仿真分析與計(jì)算驗(yàn)證了方案的可行性與合理性。

關(guān)鍵詞：充排氣口蓋；開閉式；有源驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：V444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0049-02

Abstract： Air-bleed cover switching mechanism is a kind of pressure balance mechanism for various spacecraft between inside and outside cabins. A reusable active driving air-bleed cover switching mechanism is proposed in this paper. The advantages of this mechanism include rapid response， high stiffness， high reliability， and good reusable performance. The feasibility and rationality of the design scheme is validated through simulation analysis.

Keywords： air-bleed cover； switching mechanism； active drive

引言

隨著航天器技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著返回式衛(wèi)星、載人飛船、航天飛機(jī)、空間站等空間裝備的發(fā)展，壓力控制對(duì)于保障航天器的正常運(yùn)行與安全回收具有重要意義。將航天器看做一個(gè)壓力容器，其壓力控制分為以下三種情況：一種是高真空容器，要求達(dá)到高的極限真空；另一種是低真空容器，氣壓只要減小到能夠自如打開氣閘或門窗；第三種是恒壓容器，通過向外排氣保持一定的工作氣壓[1]。其中，第一種情況多用于空間科學(xué)高真空試驗(yàn)，第三種情況多用于航天器的有效載荷技術(shù)保障和生命環(huán)境保障。如返回式衛(wèi)星密封艙，其壓力控制系統(tǒng)為艙內(nèi)創(chuàng)造了合適的壓力環(huán)境條件，使艙內(nèi)的儀器設(shè)備免受外界大氣壓力變化和真空環(huán)境的影響[2]。本文研究的充排氣口蓋裝置，則用于第二種情況，用于平衡航天器艙內(nèi)外壓力，降低壓差載荷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，為航天器各類艙門的順利開閉提供便利條件。

充排氣口蓋裝置需要能夠根據(jù)外界環(huán)境與氣壓變化實(shí)現(xiàn)多次打開與關(guān)閉，在航天器各飛行階段平衡艙內(nèi)外壓力，其對(duì)可靠性、重量、體積、功耗均有很高的要求。本文針對(duì)開閉式充排氣口蓋裝置技術(shù)，提出了一種基于有源驅(qū)動(dòng)的可重復(fù)開閉式充排氣口蓋裝置方案，完成了仿真分析與計(jì)算驗(yàn)證，旨在為推動(dòng)航天器壓力控制應(yīng)用技術(shù)發(fā)展提供支撐。

1 方案設(shè)計(jì)

充排氣口蓋裝置整體采用雙口蓋同步驅(qū)動(dòng)對(duì)開式構(gòu)型。整套裝置由電機(jī)、減速器、齒輪、絲杠、直線導(dǎo)軌、滑塊、壓桿、壓塊、拉簧、碟簧及口蓋等組成，如圖1所示。整套驅(qū)動(dòng)裝置布置在兩個(gè)充排氣口蓋的中間，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源由兩套直流電機(jī)組成，兩套電機(jī)互為冗余，聯(lián)合驅(qū)動(dòng)兩個(gè)口蓋同步打開與關(guān)閉。

充排氣口蓋裝置采用梯形絲杠+直線滑塊壓桿傳動(dòng)方式。兩套直流電機(jī)通過一對(duì)傳動(dòng)齒輪并聯(lián)，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩套梯形絲杠旋轉(zhuǎn)。梯形絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓桿沿支撐其兩端的直線導(dǎo)軌平移。兩個(gè)壓桿通過滾輪能夠在壓塊上的長(zhǎng)形孔內(nèi)滑動(dòng)，帶動(dòng)口蓋繞軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)其開閉動(dòng)作。

特別地，為了保證口蓋在打開與關(guān)閉狀態(tài)的整體剛度，絲杠采用具有自鎖能力的梯形絲杠，確保整套裝置具備斷電自鎖能力；同時(shí)每對(duì)壓桿與口蓋間安裝有一對(duì)拉簧，壓塊與口蓋間安裝有碟簧，通過彈簧、碟簧實(shí)現(xiàn)整套裝置的自消隙、自預(yù)緊。

本文所述的開閉式充排氣口蓋裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）可重復(fù)開閉，使用適應(yīng)性強(qiáng)。采用電機(jī)有源驅(qū)動(dòng)方式，可根據(jù)需求在任意時(shí)刻實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)開閉動(dòng)作。

（2）機(jī)構(gòu)偏載小，卡滯風(fēng)險(xiǎn)低。采用對(duì)開式構(gòu)型，驅(qū)動(dòng)裝置集中在兩口蓋中央，布局緊湊，兩個(gè)口蓋對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的反作用力相互抵消，機(jī)構(gòu)偏載小，卡滯風(fēng)險(xiǎn)低。

（3）具有自鎖能力，鎖定剛度高。采用具有自鎖能力的梯形絲杠，以及碟簧、彈簧的自預(yù)緊、自消隙作用，保證口蓋在打開與關(guān)閉狀態(tài)均具有很好的鎖定剛度。

（4）同步性好，可冗余驅(qū)動(dòng)。雙電機(jī)通過在驅(qū)動(dòng)軸之間配置傳動(dòng)齒輪環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余驅(qū)動(dòng)，即使任意一套電機(jī)故障，另一套電機(jī)仍可同時(shí)帶動(dòng)兩套梯形絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙口蓋的同時(shí)開閉。

2 仿真分析

按照口蓋關(guān)閉狀態(tài)下可承受最大過載7g、最大壓差7000Pa的載荷條件，對(duì)充排氣口蓋裝置運(yùn)動(dòng)受力過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，研究口蓋開閉過程對(duì)電機(jī)的輸出力矩需求，分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力矩裕度。

設(shè)電機(jī)經(jīng)絲杠傳動(dòng)對(duì)滑塊及壓桿的推動(dòng)力Fdt，其受力簡(jiǎn)圖如圖2所示，此過程中的主要負(fù)載來源于碟簧的壓縮力FS及滾輪在碟簧壓塊中滾動(dòng)的摩擦力。

為了模擬壓桿與碟簧壓塊之間的復(fù)雜受力變化過程，本文基于ADAMS對(duì)碟簧壓塊的運(yùn)動(dòng)受力變化過程進(jìn)行力學(xué)仿真分析，得到仿真分析結(jié)果如圖3所示。其中，本方案選用碟簧組合剛度為19.4N/mm，最大壓縮量為8.4mm。滾輪與壓桿之間的摩擦系數(shù)為0.2。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)壓桿滾輪開始?jí)嚎s碟簧壓塊時(shí)，所需螺桿的推力Fdt最大為70N，此時(shí)壓桿的垂直載荷Fd也最大為300N，隨著壓桿滾輪逐步向前移動(dòng)，螺桿推力Fdt將逐步降低至40N以下。

同時(shí)在壓桿滾輪進(jìn)入長(zhǎng)條孔的凹槽的過程中，其接觸力在X方向的由正變負(fù)，最大值達(dá)到-23N，說明了在關(guān)閉狀態(tài)下，即使不考慮壓桿滾輪與碟簧壓塊之間的摩擦力和梯形絲杠的作用，要解除壓桿對(duì)碟簧壓塊的作用也需要對(duì)壓桿施加X正向得23N作用力才能使口蓋松動(dòng)。

由梯形絲杠的傳動(dòng)特性，每個(gè)電機(jī)經(jīng)減速后的所需驅(qū)動(dòng)力矩Td如式1所示。

式中：d2-梯形絲杠中徑，取7.5mm；p-梯形螺紋螺距，1mm；f-梯形螺紋摩擦系數(shù)，取0.2；？茁-梯形螺紋牙型半角，為15°。

按照上述計(jì)算分析結(jié)果，本文選用電機(jī)在額定電壓下的最大輸出扭矩為8.87Nm，減速器減速比為17，得到電機(jī)減速后輸出力矩為150Nmm，為Td的2.28倍。由此可知，單個(gè)電機(jī)能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩套壓桿滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，具有一定的驅(qū)動(dòng)裕度，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

充排氣壓力平衡技術(shù)是保證航天器運(yùn)行安全的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文提出了一種基于有源驅(qū)動(dòng)的可重復(fù)開閉式充排氣口蓋裝置方案，并針對(duì)裝置主要傳動(dòng)部分完成了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)仿真與受力計(jì)算，結(jié)果表明口蓋開閉過程中電機(jī)具有一定驅(qū)動(dòng)裕度，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃良甫，羅崇泰，等.航天容器的在軌排氣分析[J].真空與低溫，1989，2：17-21.

[2]孫金鏢，姚紹檢，等.返回式衛(wèi)星密封艙壓力控制系統(tǒng)[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1998，11（3）：189-193.endprint