小衛星總裝安全性改進典型案例及其啟示

何振東 邱增帥 沈群 劉世佳 郭瑞振 張少渤 陳倬

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

小衛星具有低成本、低風險、研制周期短等優點，已廣泛應用于通信、氣象、導航、科研等領域[1-3]。隨著小衛星技術的快速發展與迭代，小衛星在構型布局、平臺設備、有效載荷設備上都有很多新技術、新設備和新材料的應用[4-5]。因此，總裝過程中復雜性和不確定性隨之增加，安全事故發生的概率也呈上升趨勢[6-8]。星表突出物防護問題，多余物防控問題，新型產品總裝困難、安裝一致性差，工具工裝迭代慢不能滿足總裝安全性需求等問題，對小衛星總裝、集成與測試(AIT)過程中的產品安全性、過程可控性、總裝可靠性都提出新的挑戰，原有的安全性措施已無法完全滿足小衛星總裝過程的安全性需求。

為適應各類小衛星的總裝要求，保障衛星在AIT過程中的安全，需要制定安全性保障措施，尤其對于應用新技術、新設備、新材料的小衛星[9-10]。本文從工裝工具、工藝流程與操作步驟2個方面對總裝安全問題進行研究，分析了小衛星總裝過程安全性保障技術問題，并提出了相應的解決措施，可為后續小衛星總裝過程中的安全性提升提供參考。

1 安全性改進典型案例分析

在小衛星設計與3維工藝仿真階段，一部分總裝安全性問題無法準確暴露，尤其一些細節性、影響小衛星研制進度與研制質量的總裝安全問題無法準確提前識別，往往在小衛星總裝實施階段才能發現。為保障小衛星總裝工作順利進行，迫切需要研究與梳理出總裝安全性問題并提出解決思路。根據總裝安全性典型問題的屬性、特點、解決方向，本文將小衛星安全性改進典型案例分為工裝工具類、工藝流程與操作步驟類。

1.1 工裝工具研發與升級

在小衛星總裝過程中,工裝工具的設計水平直接關系著總裝操作的便利性、安全性和可靠性。由于現有工具不能滿足超薄碳纖維結構板總裝安全性要求，鈰玻璃鍍銀二次表面鏡(OSR)片保護裝置不能滿足小衛星產品的安全性需求，因此需要針對碳纖維結構板的總裝工具、OSR片保護工裝進行研發與升級。

1.1.1 超薄碳纖維結構板總裝工具改進

當前，采用超薄碳纖維結構板的小衛星越來越多，這些結構板的定位銷為一體化銷釘，其工具接口形式為一字螺絲刀接口，并且結構板安裝螺釘頭部突出結構板。結構板總裝時，工具頭部易與一體化銷釘、緊固件滑脫，工具頭部活脫后很難進行控制，磕碰星體及設備的風險加大。目前，超薄碳纖維結構板的安裝沒有專用工具，都是采用如圖1所示的現有工具與一體化銷釘接口。工具防滑脫風險控制主要依賴工人操作技能、操作規范性和工作責任心，不確定性較大，因此研制一種專用工具十分必要。本文設計結構板總裝工具頭限位器，在原有的工具頭部增加了防滑脫金屬套筒。金屬套筒采用不銹鋼管材，防滑脫金屬套筒內徑與緊固件外徑相匹配，兩者為間隙配合，間隙量一般為0.10～0.25 mm，便于工具與緊固件配合的同時能保證工具頭防滑脫；防滑脫金屬套筒伸出工具頭部尺寸按所擰緊螺釘頭部的高度匹配，前者比后者小0.2～0.3 mm，既能保證工具頭防滑脫，又能防止限位套筒劃傷結構板，如圖2所示。另外，套筒表面涂覆硅膠或采用噴砂處理，實現防滑效果，便于使用。

圖1 工具接口

圖2 改進后的總裝工具

通過在普通工具安裝結構板總裝工具頭限位器，超薄碳纖維結構板總裝過程中因工具磕碰星體、設備的風險大幅降低。

1.1.2 OSR片保護工裝升級

OSR片是小衛星熱控分系統散熱組件的重要組成部分，其材料為鈰玻璃鍍銀二次表面鏡，外力下極易破損，因此在小衛星AIT中OSR片要做好防磕碰措施。當前OSR片防護裝置材料為紙泡沫夾層板(見圖3)，不能滿足小衛星產品的安全性需求。紙泡沫夾層板存在以下不足：紙泡沫夾層板材料不防靜電，使用時靜電累積放電對星上設備安全造成隱患；3M膠帶重復粘貼，膠面污染后，固定方式不可靠，紙泡沫夾層板易脫落，造成防護失效，運輸時受到運輸沖擊環境，紙泡沫夾層板脫落，會造成包裝箱內多余物，星體設備容易受到磕碰；小衛星熱控實施后，紙泡沫夾層板的安裝方式不能滿足使用需求，導致OSR片存在安全隱患；3M膠帶大量使用，增加小衛星研制成本。

圖3 OSR片紙泡沫夾層板防護

研發升級新型OSR片保護裝置，需要具備以下特點：材料防靜電，使用時不會累積靜電放電，避免星上設備存在靜電損傷隱患；主要材料密度小，裝置整體質量小，使用時小衛星結構板不額外過多承重；具有足夠的強度，有外力磕碰時，防護裝置能起到減緩撞擊；安裝方式可靠，能滿足運輸需求，可全時段安裝；可重復使用，成本低。綜合選材，防靜電瓦楞板滿足防靜電、密度小、具有足夠強度和成本低的要求，其內部為特殊的中空結構，遇到局部撞擊時，表層面板可吸收減緩沖擊，起到板下ORS片的保護作用，可作為OSR片保護裝置主材料。

新型OSR片保護裝置(見圖4)安裝采用螺接方式，在瓦楞板上鑲嵌玻璃鋼環形墊片，玻璃鋼墊片位置與星上預留的螺孔位置匹配，用螺釘將瓦楞板安裝在星體上即可；安裝螺釘可測力點膠防松，滿足運輸需求。新型OSR片保護裝置安裝拆卸不受星上多層隔熱組件或其他設備影響，可全時段進行拆裝。新型OSR片保護裝置的所有材料均可重復使用，在完成某一衛星防護后，可根據需求改造為其他產品的保護裝置。裝置的主要材料采用紅色或藍色，與小衛星表面顏色形成反差，對現場人員起到提醒作用，可有意識地對OSR片進行保護。

圖4 OSR片防靜電瓦楞板防護

新型OSR片保護裝置具有材料防靜電、質量小、強度大、安裝方法簡單可靠、安裝效果美觀、可滿足運輸需求、可全時段安裝和材料可回收再利用等優點，使OSR片的磕碰風險大幅降低，產品安全得到保障。新型OSR片保護裝置也可用于加熱器、熱控涂層的保護，應用場合多。

1.2 工藝流程與操作步驟優化

科學合理的工藝是小衛星總裝質量的決定因素。多余物防控問題始終貫穿小衛星的整個研制過程，其中，指向隔振機構是小衛星平臺的核心設備，其關鍵部位的多余物防控工藝，更是重中之重。另外，新型設備對總裝工藝的要求高，現有總裝工藝技術不能滿足新型設備安裝要求。因此，需要對工藝流程與操作步驟進行優化改進，保證小衛星總裝過程可控，結果可靠。

1.2.1 指向隔振機構多余物防控改進

指向隔振機構是“三超”(超敏捷、超穩定、超精度)衛星平臺的核心設備，該設備的作動桿與音圈電機主體之間存在1.5 mm間隙，如圖5所示。設備工作時，作動桿與音圈電機主體之間會產生軸向位移，設備腔體內纏繞電磁線圈，作動桿與音圈電機主體之間的間隙處無多余物防控措施。設備安裝后間隙開口成45°角朝上，在設備上方操作時，膠屑、多層碎屑、細小零件等多余物極易進入設備腔體內部，造成設備安全隱患。

圖5 作動桿與音圈電機主體之間的間隙

指向隔振機構的多余物防控形式可分為整體防護或關鍵部位局部防護。整體密封是為該設備制作并安裝防塵罩，將設備整體罩上形成整體封閉狀態。由于設備外觀不規則，設備裝星位置狹小，周邊電纜復雜，而且設備電連接器插接等工作時需要打開防塵罩,所以防塵罩安裝條件不足、制作困難，安裝拆卸困難。為此，可考慮關鍵位置局部防護。根據設備的工作特性，防護方法要同時滿足設備靜態和動態防多余物需求；防護材料應為透明，便于觀察設備內部狀態；防護材料應具有較好的耐疲勞性能，設備長時間工作后，多余物防控裝置不失效。

考慮到作動桿的運動特性和多余物防控位置形狀，指向隔振機構的多余防控措施應為動密封與靜密封結合，設備工作和非工作狀態下均能實現關鍵位置防多余物要求。多余物防護裝置的主要材料可使用耐疲勞、透明、防靜電的滌綸樹脂(PET)膜料，規格可選擇寬50 mm、厚0.3～0.2 mm。多余物防護裝置制作步驟為：將PET膜料剪成刷子狀，用可靠方法將2層刷子相互交錯，互補空缺固定在作動桿上。指向隔振機構工作時，多余物防控裝置的活動端始終與音圈電機端面接觸，防止多余物進入，如圖6所示。

圖6 動態密封裝置

指向隔振機構原有的多余物防控，主要依賴工藝提醒。改進后的多余物防控裝置實施流程為：①指向隔振機構第1次裝星前，安裝多余物防控裝置；②力學試驗前后對多余物防控裝置進行狀態檢查，應固定牢靠；③熱試驗前拆除多余物防控裝置，防止裝置影響設備散熱；④熱試驗后安裝多余物防控裝置；⑤衛星設置為最終發射狀態后拆除多余物防控裝置。指向隔振機構的多余物防控裝置實施后，設備的多余物防控手段由被動防控變為主動防控，設備的安全得到有力保障。

1.2.2 新型產品安裝工藝流程優化

有些小衛星的主有效載荷設備有特殊需求，如安裝面間安裝新型減振墊，如圖7所示。該型減振墊安裝壓縮量大，有效載荷安裝面外形尺寸大，分布有20多個新型減振墊，減振墊壓縮同步性要求高，壓縮一致性要求高。現有總裝技術為單點對稱緊固，不能滿足新型減振墊安裝要求，安裝不妥會影響設備的減振效果和安裝可靠性。為保證新型減振墊安裝后有足夠的連接強度，并且具有一致的壓縮效果，減振墊同步壓緊應為安裝的重點控制項。由于壓縮量大，正樣螺釘不能直接與安裝螺孔螺紋配合,減振墊壓縮前可先使用比正樣螺釘長的工藝螺釘進行預壓緊，當壓縮量達到一定量時安裝正樣螺釘。由于有效載荷安裝面尺寸大，為保證不同區域的減振墊壓縮過程同步，需要在每組減振墊位置分別分配1名總裝人員，按口令控制操作一致，保證所有減振墊壓縮過程的同步。因此，需制定合理的工藝流程與操作步驟，滿足新型產品安裝要求。有效載荷安裝面如圖8所示。

圖7 新型隔振墊

圖8 有效載荷安裝面

根據減振墊的壓縮特性，以及壓縮同步性要求，在主有效載荷設備安裝時，實施裝星總裝工藝流程改進。①將工藝螺釘分別插入每組減振墊的中心位置，其余減振墊插入正樣安裝螺釘；②每名總裝人員就位于每組隔振墊位置；③對接過程中同步緩慢旋入工藝螺釘；④1名總裝人員為指揮，下達操作口令；⑤其他總裝人員在指揮下每旋轉90°為1個動作單元緊固工藝螺釘，減振墊壓縮4 mm時停止操作；⑥手動旋入其余正樣螺釘；⑦用正樣螺釘更換工藝螺釘；⑧總裝人員繼續在指揮口令下逐圈擰緊每組減振墊的中心位置螺釘，直到達到要求的擰緊力矩。通過安裝工藝流程的優化，大安裝面下多隔振墊同步壓縮安裝問題得到解決，有效載荷設備安裝的減振效果達到設計指標，設備安裝可靠。

2 對后續總裝工作的啟示

本文從工裝工具研發與升級、工藝流程與操作步驟優化2個方面對上總裝安全性問題進行研究，研制了結構板總裝工具頭限位器、新型OSR片保護裝置和指向隔振機構多余物防控裝置，提出了大尺寸安裝面下的新型隔振墊安裝技術。

新研小衛星的部分機構或設備表面涂覆特殊涂層(透波膜料、導電涂層、熱控涂層等)，這些涂層易破損、潔凈度要求高，機構或設備拆裝時，普通工具無限位措施，使用不當，稍有不慎就會損壞或污染涂層。這些特殊涂層的安全性防護可從兩方面考慮：①對安裝工具進行改造，減少拆裝過程中的損傷風險，工具改進時可借鑒本文中工具研發升級的方法；②對特殊涂層設計防護裝置，從根本上杜絕損傷風險，防護裝置的研究設計思路可借鑒本文中新型OSR片保護裝置的設計理念。

一些在研小衛星有效載荷具有多個轉動關節，有效載荷機構的末端設有高精度探測器，有效載荷在軌要實施機構轉動動作，機構的轉動精度需要滿足探測器要求，機構的結構件受應力容易變形。因此，在有效載荷總裝過程中，機構的旋轉關節要注意多余物防控，防止多余物造成機構轉動精度降低或機構卡死；有效載荷結構安裝時要保證結構的無應力安裝，防止應力釋放對結構造成損傷變形。旋轉關節的外形復雜，組成運動副的2個零件或組件之間存在間隙，其多余防物控措施可借鑒本文中指向隔振機構多余物防控工藝方法。載荷結構的無應力安裝工藝方法制定，可借鑒本文中大尺寸安裝面下的新型隔振墊安裝技術，對每個緊固件的緊固實施同步控制，動態糾偏，直至滿足力矩要求。

3 結束語

本文針對小衛星總裝中存在的典型安全性問題，制定了專用和通用的安全性保障措施，保證小衛星在AIT過程中安全、可控，提高了小衛星總裝可靠性和總裝效率，可為解決小衛星總裝安全性相關問題提供參考。