萤火一号火星探测器太阳电池翼深低温展开技术_顾珏华

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ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ＳＨＡＮＧＨＡＩ
第 ３０ 卷 ２０１３ 年 第 ４ 期
压紧释放 机 构 的 切 割 器 试 验 温 度 范 围 为 －１１０～ ８０ ℃，通电时 间 一 般 控 制 在 约 １２０ ｍｓ。 但 火 星 轨 道探测环境要 求 使 用 和 工 作 温 度 最 低 为 －１８０ ℃， 且切割器在起爆前长时间处于低温环境。为确保其 起爆可靠，须在地面进行低温（－１９６ ℃）发火 试验、 低温（－１９６ ℃）寿命试验，并调整通电时间，控制在 １６０ｍｓ。经摸底试验 和 半 年、一 年 贮 存 期 寿 命 试 验， 切割器各项指标满 足 要 求，能 可 靠 切 断 钛 杆 完 成 任 务 。 分 析 试 验 产 品 ，其 密 封 圈 弹 性 较 好 ，切 割 器 能 在 长期低温贮存后实现切割功能。
第 ３０ 卷 ２０１３ 年 第 ４ 期
顾 珏 华 ，等 ：萤 火 一 号 火 星 探 测 器 太 阳 电 池 翼 深 低 温 展 开 技 术
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令，由火工 品 控 制 器 实 施，分 ２ 组 起 爆，连 续 实 施 ５ 遍。首先程控起爆切割器（１，５，６），通电 １６０ ｍｓ；间 隔１ｓ，程控起爆切割器（２，３，４），通电１６０ ｍｓ，完成 １ 次 完 整 的 起 爆 作 业 。 为 可 靠 起 爆 ，相 隔 １ｓ后 重 复 １次，共实施５次完 整 的 起 爆 作 业；２ 组 火 工 品 起 爆 后 ，切 割 器 将 约 束 太 阳 电 池 翼 的 压 紧 杆 可 靠 切 断 。３ 块电池板 在 铰 链 和 ＣＣＬ 的 作 用 下 开 始 同 步 展 开， ４～１２ｓ后 锁 定 ，如 图 ２ 所 示 。 数 管 分 系 统 按 预 定 程 序检测展开指示回 路，检 查 和 判 断 太 阳 电 池 翼 的 展 开锁定状况。太阳电池翼展开至与器体顶板相平、 具有一定刚性的阵 面，且 在 深 低 温 环 境 中 保 持 一 定 刚 度 ，确 保 太 阳 电 池 翼 展 开 状 态 频 率 特 性 不 变 。
关 键 词 ：ＹＨ－１ 火 星 探 测 器 ；深 空 ；低 温 ；太 阳 电 池 翼 ；展 开 中 图 分 类 号 ：ＴＭ９１４．４３ 文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ａｒｒａｙ Ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ａｔ Ｕｌｔｒａ－Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ＹＨ－１ Ｍａｒｓ Ｐｒｏｂｅ
展开 锁 定 机 构 的 深 低 温 展 开 试 验，尤 其 是 收 拢 状态深低温一年贮 存 后 的 展 开 试 验 结 果 表 明：机 构 深低温展开性能稳 定，采 取 的 固 体 润 滑 技 术 适 应 深 低 温 ，试 验 验 证 充 分 ，如 图 ４ 所 示 。
ｂ）板 间 电 缆 太阳 电 池 翼 在 发 射 入 轨 前 处 于 收 拢 状 态，收 拢
摘 要：对萤火一号（ＹＨ－１）火 星 探 测 器 太 阳 电 池 翼 深 低 温 展 开 技 术 进 行 了 研 究。 给 出 了 采 用 轻 量 化、小 型 化、深低温适应性设计的机构，结构 材 料、整 翼 低 温 可 靠 展 开 等 设 计 结 果。 相 关 试 验 结 果 表 明 实 现 了 机 构 运 动 可 靠 、适 应 深 低 温 环 境 、质 量 轻 和 尺 寸 小 ，各 项 性 能 指 标 满 足 要 求 。
根据 轻 量 化 设 计 要 求，对 压 紧 底 座 作 适 应 性 改 进，底座尺寸减小，并 更 换 压 紧 底 座 的 材 料，用 镁 合 金替代铝合 金，实 际 压 紧 释 放 机 构 质 量 减 轻 １４％。 机 构 通 过 太 阳 电 池 翼 常 温 、深 低 温 展 开 试 验 、整 器 振
动 试 验 、噪 声 试 验 及 整 器 热 真 空 等 试 验 。 ２．１．２ 深 低 温 适 应 性 设 计
ａ）展 开 锁 定 机 构 根据 ＹＨ－１火星 探 测 器 环 境 设 计 要 求，太 阳 电 池翼展开低温 环 境 为 －１８０ ℃，通 常 展 开 锁 定 机 构 工作温度最低不低于 －１００ ℃ 。 ［２］ 热 分 析 表 明 机 构 须 增 大 轴 承 游 隙 ，但 游 隙 过 大 会 影 响 机 构 整 体 刚 度 。 通过机构深低温 试 验、刚 度 试 验，确 定 轴 承 的 游 隙。 贮存１ 年 后 用 深 低 温 （－１９６ ℃ 液 氮、１２ 月 压 紧 状 态）展开试验及 扭 力 矩 测 试 验 证 其 改 进 有 效 性。 力 矩测试结 果 如 图 ３ 所 示，贮 存 后 展 开 试 验 如 图 ４ 所示。
ＧＵ Ｊｕｅ－ｈｕａ，ＮＩ Ｂｏ，ＬＩＵ Ｚｉ－ｘｉａｎ，ＹＵＡＮ Ｗｅｉ
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１１０９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｏｌａｒ ａｒｒａｙ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ａｔ ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ＹＨ－１ Ｍａｒｓ ｐｒｏｂｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ａｒｒａｙ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｒｅｌｉａｂｌｙ ａｔ ｕｌｔｒａ－ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｍａｓｓ，ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｐｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｍｏｔｉｏｎ，ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ，ｌｉｇｈｔ ｍａｓｓ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｗｅｒｅ ｍｅｔ．
一定时间后再展 开。 展 开 过 程 中，电 缆 产 生 的 扭 矩 在低温环境中一定 程 度 上 是 阻 力 矩。ＹＨ－１ 火 星 探 测器采用小型太阳 电 池 翼，其 展 开 锁 定 机 构 受 外 形 尺寸及质量影响，展 开 弹 簧 力 矩 输 出 相 对 较 小。 因 此 ，电 缆 力 矩 大 小 会 影 响 太 阳 电 池 翼 展 开 裕 度 ，故 力 矩应作为太阳电池翼裕度设计的重点。
收 稿 日 期 ：２０１２－０９－２５ 作 者 简 介 ：顾 珏 华 （１９７６— ），女 ，高 级 工 程 师 ，主 要 从 事 太 阳 电 池 翼展开机构和总体设计。
１ 太阳电池翼
ＹＨ－１火星 探 测 器 太 阳 电 池 翼 分 ±Ｘ 翼，分 别 安装在探测器的±Ｘ 方 向，如 图 １ 所 示。 单 翼 由 电 池 板 、磁 强 计 支 架 、展 开 锁 定 机 构 、压 紧 释 放 机 构 、闭 环 索 联 动 装 置 （ＣＣＬ）等 组 成 。
ＹＨ－１探测器的 质 量 指 标 为 １０７ｋｇ，太 阳 电 池 翼 结 构 与 机 构 的 质 量 限 制 在 １２．８ｋｇ 以 内 。
传统展开锁定机 构 单 个 质 量 为 ２５０ｇ。 为 满 足 ＹＨ－１火星探 测 器 太 阳 电 池 翼 轻 量 化 小 型 化 要 求， 用镁合金替代传统 展 开 锁 定 机 构 的 铝 合 金、钛 合 金 材 料 ，同 时 减 小 机 构 的 结 构 尺 寸 ，将 传 统 展 开 锁 定 机 构缩小２０％与小型化的太阳电 池 翼 匹 配，实 际 产 品 质量减轻４０％。机构通过动 静 刚 度 试 验、扭 力 矩 测 试 、深 低 温 等 试 验 。
太阳电池翼背面布有磁强计电缆和板间电缆， 须对电缆进行深 低 温 扭 力 矩 试 验。 改 进 前，按 原 电 缆包覆方式，在深低 温 下 电 缆 阻 力 力 矩 输 出 明 显 增 大，经力矩转换计算 发 现 无 法 满 足 机 构 展 开 裕 度 要 求 。 改 进 电 缆 包 覆 ，再 次 进 行 深 低 温 扭 力 矩 试 验 ，阻 力力矩输出无明显 增 大，通 过 试 验 验 证 了 改 进 的 电 缆包覆深低温和常 温 变 化 差 异 较 小，力 矩 裕 度 满 足 要 求 。 试 验 表 明 ，在 深 冷 低 温 下 展 开 的 太 阳 电 池 翼 ， 其电缆的包覆、绑扎 方 式 是 太 阳 电 池 翼 裕 度 设 计 的 重要因素。
在太 阳 电 池 翼 整 翼 深 低 温 展 开 试 验 中，使 用 切 割器７发，均在温度－１９０ ℃下成功起爆，完成切割 功 能 ，能 适 应 深 低 温 环 境 。
图４ 展开锁定机构在液氮（－１９６ ℃） 中贮存后取出
Ｆｉｇ．４ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｄｅｐｌｏｙｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｃｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｆｔｅｒ ｓｔｏｃｋｐｉｌｉｎｇ ａｚｏｔｅ（－１９６ ℃）
图 ２ 太 阳 电 池 翼 展 开 过 程 Ｆｉｇ．２ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｏｌａｒ ａｒｒａｙ ｄｅｐｌｏｙｉｎｇ
２ 研究成果
２．１ 机 构 研 制 太阳电池翼展开成败的关键部件是展开锁定机
构和压紧释放机 构。 展 开 锁 定 机 构 的 轴 承 游 隙、力 矩裕度、润滑技术及 压 紧 释 放 机 构 的 切 割 器 在 深 低 温环境中的成功起 爆，均 是 确 保 深 低 温 环 境 中 太 阳 电池翼能可靠展开的关键。应采用轻量化和小型化 设 计 ，并 通 过 单 机 级 深 低 温 展 开 发 火 试 验 考 核 。 ２．１．１ 轻 量 化 和 小 型 化
图 ３ 展 开 锁 定 机 构 各 温 度 点 扭 力 矩 测 试 结 果 Ｆｉｇ．３ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｄｅｐｌｏｙｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｃｋｉｎｇ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ