一种薄膜航天器展开与锁定机构设计验证

孙 亮，纪 明，王克成，夏成明，左华平

(兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000)

作者简介：〖HTSS〗孙亮（1987—），男，工程师，硕士，主要研究方向为空间作动机构，mysmhao1@163.com.

摘要：介绍了一种基于空间应用标准的可自动展开锁定的新型薄膜航天器展开与锁定机构研究情况。该机构集展开与锁定功能于一体，简单可靠。依托于兰州空间技术物理研究所新型薄膜航天器平台技术项目，研制了演示样机，并进行了地面试验。详细介绍了展开与锁定机构的工作原理，建立了动力学模型，并对影响地面试验结果的因素进行了分析，提出了相应的解决措施。结果表明所设计的机构满足项目要求，为中国超大型薄膜航天器的应用奠定了基础。

关键词：薄膜航天器；展开与锁定机构；动力学模型；地面试验

中图分类号：TH113   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2019)07-0067-04

薄膜航天器平台作为一种受到国内外广泛关注的新型航天器，其利用太阳光的压力进行太空飞行，无需燃料作为动力，因而可以携带更多的载荷。对于太阳系内各天体探测等在轨深空探测活动，薄膜航天器平台面临巨大的机遇。薄膜航天器平台有两种基本类型，一种是无骨架的、采用旋转离心力展开，另一种是有骨架、采用充气展开。国外，美国L’Garde公司、NASA 喷气推进实验室 (JPL)、兰利研究中心研发了一个20m 的演示样机［1］；欧洲航天局（ESA）研制了10m×12m 偏置反射面天线、充气式望远镜遮光罩支撑结构和充气展开式降落伞等［2］；美国、俄罗斯及ESA 都在进行充气式展开太阳帆的研究［3-4］。国内，中国空间技术研究院研制了有骨架、充气的25m地面演示样机，并顺利充气展开［5］。该地面演示样机主要由展开与锁定机构和薄膜帆体组成，展开与锁定机构的设计目标是能够在一定空间内尽可能存储更多的薄膜帆体，还不能对展开过程产生影响。薄膜帆体则是实现了太阳能电池薄膜和变反射率薄膜的集成。展开与锁定机构在发射阶段对折叠状态的支撑臂和帆面提供有效的约束和保护。工作时，机构展开到指定位置并锁定，保持锁定平面的工作状态，等待支撑臂和帆面的顺利展开。随着我国深空探测工程的持续推进以及对探测器探测目标更远、探测成本更低和探测效果更好的要求，薄膜航天器越来越受到重视，因此研究合理的机构设计也变得更有意义。

1 机构设计及工作原理

1.1 展开与锁定机构概况

1.2 展开与锁定机构是空间飞行器机构中最早开始使用，也是使用最为广泛的机构类型。展开与锁定机构可以分为3个主要类型：带状半刚性展开与锁定机构、锁爪式展开与锁定机构和连杆式锁(压)紧释放机构［6］。

1)带状半刚性展开与锁定机构。典型应用是实现卫星、火箭适配连接与分离的包带分离装置，这一技术是较为成熟的技术，我国与其他主要的航天国家均掌握了该项技术。

2)锁爪式展开与锁定机构。这是目前国际上应用比较成熟的一种展开部件的锁（压）紧释放装置，许多太阳翼和天线都采用这类装置实现锁（压）紧和释放。较典型的是INTELSAT- V卫星的太阳翼压紧释放机构和Astro-AeroSpace公司研制的AstroMesh柔性天线锁（压）紧释放机构。我国已经在FY-1卫星太阳翼和神舟飞船的天线上采用了该类型的锁（压）紧释放机构，但是对于体积大、质量大的压紧对象，还没有相关的应用。

3)连杆式锁（压）紧释放机构。典型应用是太阳翼压紧释放机构和一些连接分离螺栓，目前我国与其他主要的航天国家均掌握了该项技术，并将其大量用以实现星船和其他航天器的太阳翼与舱段之间的连接与分离。

1.3 机构设计

考虑到重复利用和节省能源，可采用铰链扭簧式机构，释放后的展开功能由安装在每个铰链处已经预紧的扭簧来实现。在有限的安装空间和质量约束下，要求设计出具有较高锁紧力和锁紧刚度的转动铰链展开锁紧装置，并能够方便地进行地面解锁重置及测试试验，且达到较高的锁紧重复精度。本文的展开与锁定机构用于航天器支撑臂和薄膜帆体的锁定与释放，在到达轨道之前其作用是保持锁紧状态，保护和约束帆体；到达轨道后，其作用是在解锁并展开到一定角度时自动锁定，保证张开的是平面，为帆体充气展开提供平台。底板作为机架，用于安装其他组件。侧板Ⅰ、Ⅱ均由两块板组成，互相平行；顶板由两块板组成，位于同一平面上。侧板Ⅰ和侧板Ⅱ通过转动铰链组件固联在底板上，顶板通过转动铰链组件固联在侧板Ⅰ上，压紧释放机构通过螺钉安装在顶板上，通过压缩弹簧预紧力和侧板Ⅱ的限位孔完成对顶板的锁定限位，转动铰链组件内的扭簧作为机构展开的动力源，压缩弹簧作为机构到位锁定的动力源。