微納衛(wèi)星釋放分離參數(shù)的測試方法

陳有梅 付碧紅 余成鋒 吉彥超

(上海微小衛(wèi)星工程中心，上海201120)

1 引言

微納衛(wèi)星因其體積小、研制周期短等優(yōu)點已成為航天產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計，2017年全球共發(fā)射100kg以下的微納衛(wèi)星近300顆，占同期入軌航天器總數(shù)的67.5%。目前，微納衛(wèi)星的發(fā)射大都采取搭載或者一箭多星的方式，為保證搭載星不與主星分離時發(fā)生干涉或者多星分離時不發(fā)生干涉，幾乎所有微納衛(wèi)星都會根據(jù)自己的需求設計自己的分離釋放機構(gòu)[1]。

伴隨衛(wèi)星作為微納衛(wèi)星的一種，其分離形式較為少見。該種微納衛(wèi)星作為一個有效載荷安裝在主航天器上，跟隨主航天器一起發(fā)射、分離、入軌，跟隨主航天器運行一段時間后，適時地從主航天器分離出去，對主航天器的運行狀態(tài)進行監(jiān)控和拍照。該種微納衛(wèi)星在分離時刻會對主航天器造成一定的沖擊，同時由于該微納衛(wèi)星是從航天器的內(nèi)部釋放到太空中，所以分離過程中的沖擊、姿態(tài)和速度等參數(shù)至關重要。

本文以天宮二號伴隨衛(wèi)星的分離作為研究測試對象，提出一種地面模擬微納衛(wèi)星釋放分離測試方法，對衛(wèi)星分離過程中的姿態(tài)、速度及雙方的沖擊響應進行測量。

2 釋放分離試驗方法及參數(shù)測量

2.1 地面模擬釋放分離試驗方法

衛(wèi)星釋放分離試驗中，有多種模擬方法[2]，本文所采用的模擬方法是將主航天器等效為固定端，用高精度試驗架模擬，微納衛(wèi)星連同釋放機構(gòu)通過連接支架與試驗架連接。為了在后面的數(shù)據(jù)處理中能夠快速消除重力加速度帶來的影響，衛(wèi)星分離速度方向指向地面。為防止對衛(wèi)星模擬件造成不必要的損壞，在衛(wèi)星的正下方及側(cè)邊均放置較厚的緩沖墊。

使用計算機對釋放機構(gòu)發(fā)出分離指令，分離釋放機構(gòu)解鎖，釋放彈簧裝置和重力加速度共同引起微納衛(wèi)星向下運動，實現(xiàn)衛(wèi)星與釋放機構(gòu)的分離。衛(wèi)星整個分離過程中在彈簧力[1]和重力的共同作用下向下作加速運動，隨著彈簧壓緊力的逐漸釋放微納衛(wèi)星運動的加速度逐漸減小，在彈簧力作用結(jié)束后，微納衛(wèi)星將以自由下降的方式落在保護墊上。試驗方案原理示意圖如圖1所示，實際試驗系統(tǒng)TG-2伴隨衛(wèi)星釋放前試驗狀態(tài)如圖2所示。

圖1 釋放分離方案原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of releasing experiment

圖2 釋放分離試驗圖Fig.2 Photo of releasing experiment

2.2 衛(wèi)星釋放參數(shù)測量

2.2.1 衛(wèi)星釋放速度的計算與測量

衛(wèi)星解鎖后的釋放動力由一對彈簧裝置提供，根據(jù)彈簧特性計算可得衛(wèi)星在整個釋放過程中彈簧所釋放的彈性勢能。在衛(wèi)星釋放過程中，由于時間很短，根據(jù)能量守恒原理，幾乎所有彈性勢能均轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星的動能。將衛(wèi)星質(zhì)量代入即可獲取衛(wèi)星理論釋放速度。

衛(wèi)星釋放速度的測量過程采用每秒1000幀的高速攝影機記錄。將高速相機獲取的時間數(shù)據(jù)ti(ms)為自變量，位移數(shù)據(jù)xi(mm)為因變量，擬合衛(wèi)星的運動過程。將獲取的位移曲線函數(shù)對時間進行一次微分即可獲取分離過程的速度函數(shù)。

試驗采用的彈簧測試數(shù)據(jù)見表1。分離試驗星的質(zhì)量為47.5kg，質(zhì)心分布和慣量特性與發(fā)射星一致。計算可知一對彈簧在規(guī)定行程內(nèi)釋放的能量W=5.778N·m，考慮釋放前后彈簧的彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星的動能，可以計算出衛(wèi)星的理論釋放速度為vTh=0.4932m/s。

表1 分離彈簧測試數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data of releasing springs

對高速攝影機獲取的衛(wèi)星釋放數(shù)據(jù)進行三次多項式擬合，曲線表達式如下

式中：S(t)——位移擬合曲線，m；ai——位移擬合系數(shù)；t——時間，s。

對得到的位移函數(shù)求導得到速度方程，表達式如下

分別對三次拍攝的數(shù)據(jù)進行擬合，得到的系數(shù)(保留4位有效數(shù)字)見表2。

表2 位移擬合系數(shù)Tab.2 Factor of distance fitting

整個釋放過程中，假定彈簧行程為S(t)=δ，通過擬合曲線的函數(shù)式可得衛(wèi)星分離時刻的時間，進而可得分離時刻的速度。試驗分離瞬間衛(wèi)星的動能減去重力勢能即可獲取在軌分離時的動能，兩個時刻的速度滿足如下關系

式中：vob——試驗在軌分離時速度，m/s；vT——分離瞬間衛(wèi)星速度，m/s；g——重力加速度，m/s2。

令S(t)=17mm可獲取三條擬合曲線所需的時間分別為 38.01ms，37.39ms，37.97ms，獲取的三次試驗分離速度、經(jīng)過分析獲取的在軌釋放速度及與理論釋放速度的誤差見表3。

表3 實測分離速度及分析結(jié)果Tab.3 Testing releasing speed and calculati ng result

文獻[3]中表明，綜合試驗方法誤差、試驗場地重力加速度誤差、空氣阻力誤差、高速攝影誤差及安裝偏差，誤差值應在1.5%以內(nèi)。本文速度測試結(jié)果滿足誤差要求。

2.2.2 衛(wèi)星釋放姿態(tài)的測量

釋放姿態(tài)和星上單機測量系統(tǒng)如圖3所示。試驗設備包括蓄電池組、微機械陀螺、光纖陀螺、沖擊傳感器、數(shù)據(jù)采集存儲器。由于衛(wèi)星釋放分離時外部線纜的干擾會影響姿態(tài)的穩(wěn)定，星上的采集系統(tǒng)與外界沒有任何連接，而是通過安裝在試驗星內(nèi)的蓄電池給三軸陀螺、數(shù)據(jù)采集器提供電源。數(shù)據(jù)采集存儲器主要是完成高精度陀螺和沖擊傳感器信號采集和存儲，外部可以采用USB接口回放和復制數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析得到分離角速度和沖擊加速度。

本次試驗選用3臺光纖陀螺，3臺陀螺分別與衛(wèi)星的三個坐標軸平行安裝，通過星內(nèi)電池給三臺陀螺供電，并通過陀螺自帶的串口將其測量得到的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)采集存儲器中，本次試驗采用的光纖陀螺的測量精度為0.001°/s。

圖3 釋放姿態(tài)和沖擊測量系統(tǒng)Fig.3 Testing system of releasing attitude and shock response

三次分離測量試驗中均進行了姿態(tài)測量，三次陀螺的測試數(shù)據(jù)如表4所示。第三次分離陀螺的釋放姿態(tài)測試曲線見圖4～圖6所示。

表4 釋放姿態(tài)測試數(shù)據(jù)Tab.4 Testing data of releasing attitude

圖4 滾動方向釋放姿態(tài)測試曲線Fig.4 Testing figure of roll rate

圖5 俯仰方向釋放姿態(tài)測試曲線Fig.5 Testing figure of pitch rate

圖6 偏航方向釋放姿態(tài)測試曲線Fig.6 Testing figure of yaw rate

2.2.3 沖擊響應的測量

沖擊響應主要包括兩方面的沖擊，對航天器的沖擊和對衛(wèi)星的沖擊。對作為固定端的航天器的沖擊可以直接通過常規(guī)的沖擊測量方法直接測出。而對運動的微納衛(wèi)星的測量系統(tǒng)采用如圖3所示的測試系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集存儲器完成沖擊傳感器電壓信號采集和存儲，外部采用USB接口回放和復制數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析得到?jīng)_擊加速度。

根據(jù)傳感器電壓信號與沖擊響應加速度值的關系特性，沖擊加速度按下式計算式中：k——沖擊傳感器靈敏度，g/V；U——傳感器電壓值，V。

安裝在星內(nèi)的數(shù)據(jù)采集存儲器采集的電壓值經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成時域的沖擊加速度響應值，再經(jīng)過傅里葉變換后得到頻域的沖擊響應值。

三次分離測量試驗中對星上沖擊均進行了測量，共布置了8個測點，共計24路，表5給出了載荷安裝角附近三次的測試沖擊響應值，量綱為g。

表5 沖擊響應Tab.5 Shock response

2.3 在軌數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比

該型號的微納衛(wèi)星隨天宮二號航天器發(fā)射，入軌后進行了在軌的釋放分離，星上儀器設備測得了衛(wèi)星釋放的姿態(tài)和釋放速度，滾動0.7°/s，誤差9.5%；俯仰0.8°/s，誤差 -2.1%；偏航0.5°/s，誤差20%；釋放速度為0.49m/s，誤差0.34%。

3 結(jié)束語

利用高速攝影、光纖陀螺、沖擊傳感器以及數(shù)據(jù)采集器可測出地面模擬微納衛(wèi)星在軌釋放的釋放分離速度、姿態(tài)、沖擊等釋放分離參數(shù)。該測試方法排除了地面連接線纜等的干擾，其測試數(shù)據(jù)與在軌衛(wèi)星測試的釋放速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)進行了對比，數(shù)據(jù)基本一致，說明該方法可行有效，可很好地預估和預知衛(wèi)星在軌釋放的相關參數(shù)。