开闭式充排气口盖装置技术研究

2018年4期

科技创新与应用

Technology Innovation and Application

技术创新

开闭式充排气口盖装置技术研究

贾磊，王悦，张涛，彭波，张庆利

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076)

摘要：充排气口盖装置是实现航天器舱内外压力平衡的主要机械装置。文章提出一种有源驱动的可重复开闭式充排气口盖装置， 以开闭速度快、可靠性高、刚度高、重复使用性好为目标，完成了机电一体化机械装置方案设计，并通过仿真分析与计算验证了方案的 可行性与合理性。

关键词：充排气口盖；开闭式；有源驱动中图分类号：V444

文献标志码：A

文章编号= 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

随着航天器技术的发展，特别是随着返回式卫星、载 人飞船、航天飞机、空间站等空间装备的发展，压力控制对 于保障航天器的正常运行与安全回收具有重要意义。将航 天器看做一个压力容器，其压力控制分为以下三种情况：

一种是高真空容器，要求达到高的极限真空;另一种是低 真空容器，气压只要减小到能够自如打开气闸或门窗;第 三种是恒压容器，通过向外排气保持一定的工作气压[1]。其 中，第一种情况多用于空间科学高真空试验，第三种情况 多用于航天器的有效载荷技术保障和生命环境保障。如返 回式卫星密封舱，其压力控制系统为舱内创造了合适的压 力环境条件，使舱内的仪器设备免受外界大气压力变化和 真空环境的影响[2]。本文研究的充排气口盖装置，则用于第

二种情况，用于平衡航天器舱内外压力，降低压差载荷对 结构强度的要求，为航天器各类舱门的顺利开闭提供便利 条件。

充排气口盖装置需要能够根据外界环境与气压变化 实现多次打开与关闭，在航天器各飞行阶段平衡舱内外压 力，其对可靠性、重量、体积、功耗均有很高的要求。本文针 对开闭式充排气口盖装置技术，提出了一种基于有源驱动 的可重复开闭式充排气口盖装置方案，完成了仿真分析与 计算验证，旨在为推动航天器压力控制应用技术发展提供 支撑。

1方案设计

充排气口盖装置整体采用双口盖同步驱动对开式构

型。整套装置由电机、减速器、齿轮、丝杠、直线导轨、滑块、 压杆、压块、拉簧、碟簧及口盖等组成，如图1所示。整套驱 动装置布置在两个充排气口盖的中间，驱动动力源由两套

直流电机组成，两套电机互为冗余，联合驱动两个口盖同 步打开与关闭。

图1充排气口盖装置组成

充排气口盖装置采用梯形丝杠+直线滑块压杆传动方

式。两套直流电机通过一对传动齿轮并联，

可同时驱动两 套梯形丝杠旋转。梯形丝杠的旋转带动压杆沿支撑其两端 的直线导轨平移。两个压杆通过滚轮能够在压块上的长形 孔内滑动，带动口盖绕轴旋转，从而实现其开闭动作。

特别地，为了保证口盖在打开与关闭状态的整体刚 度，丝杠采用具有自锁能力的梯形丝杠，确保整套装置具 备断电自锁能力；同时每对压杆与口盖间安装有一对拉 簧，压块与口盖间安装有碟簧，通过弹簧、碟簧实现整套装 置的自消隙、自预紧。

本文所述的开闭式充排气口盖装置具有以下特点：

(1)

可重复开闭，使用适应性强。采用电机有源驱动方

式，可根据需求在任意时刻实现多次重复开闭动作。

(2) 机构偏载小，卡滞风险低。采用对开式构型，驱动 装置集中在两口盖中央，布局紧凑，两个口盖对驱动装置 的反作用力相互抵消，机构偏载小，卡滞风险低。

作者筒介：贾磊（1985,02-)，男，汉族，山西晋中人，硕士研究生学历，高级工程师，研究方向：机构设计。

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(3)

具有自锁能力，锁定刚度高。采用具有自锁能力的 梯形丝杠，以及碟簧、弹簧的自预紧、自消隙作用,保证口 盖在打开与关闭状态均具有很好的锁定刚度。

(4) 同步性好，可冗余驱动。双电机通过在驱动轴之间 配置传动齿轮环节实现并联冗余驱动，即使任意一套电机 故障，另一套电机仍可同时带动两套梯形丝杠转动，实现 双口盖的同时开闭。

2仿真分析按照口盖关闭状态下可承受最大过载7g、最大压差 7000P a 的载荷条件，对充排气口盖装置运动受力过程进行

动力学仿真，研究口盖开闭过程对电机的输出力矩需求，

分析驱动电机的力矩裕度。

设电机经丝杠传动对滑块及压杆的推动力Fd t ,其受力 简图如图2所示，此过程中的主要负载来源于碟簧的压缩也最大为300N ,随着压杆滚轮逐步向前移动，螺杆推力FA

将逐步降低至40N 以下。

同时在压杆滚轮进入长条孔的凹槽的过程中,其接触 力在X 方向的由正变负，最大值达到-23N ,说明了在关闭 状态下，即使不考虑压杆滚轮与碟簧压块之间的摩擦力和 梯形丝杠的作用，

要解除压杆对碟簧压块的作用也需要对 压杆施加X 正向得23N 作用力才能使口盖松动。由梯形丝杠的传动特性,每个电机经减速后的所需驱 动力矩Td如式1所示。Td = ^ Fd t tan arctan^^-)+arctan( ^ )pd2 cos b

--66N m m (1)

式中:d2-梯形丝杠中径，取7.5m m ;p-梯形螺纹螺距， 1m m ;f -梯形螺纹摩擦系数，取0.2；-梯形螺纹牙型半角, 为 150。

力F s 及滚轮在碟簧压块中滚动的摩擦力。

为了模拟压杆与碟簧压块之间的复杂受力变化过程，

本文基于A D A M S 对碟簧压块的运动受力变化过程进行力 学仿真分析，得到仿真分析结果如图3所示。其中,本方案 选用碟簧组合刚度为19.4N/mm,最大压缩量为8.4mm。滚 轮与压杆之间的摩擦系数为0.2。

由仿真结果可知，当压杆滚轮开始压缩碟簧压块时， 所需螺杆的推力FA 最大为70N ，此时压杆的垂直载荷Fd

按照上述计算分析结果,本文选用电机在额定电压下

的最大输出扭矩为8.87Nm,减速器减速比为17,得到电机 减速后输出力矩为150N m m ，为Td的2.28倍。由此可知，单 个电机能够同时驱动两套压杆滑块机构运动，具有一定的 驱动裕度，满足设计要求。

3结束语

充排气压力平衡技术是保证航天器运行安全的一项 重要技术。本文提出了一种基于有源驱动的可重复开闭式 充排气口盖装置方案,并针对装置主要传动部分完成了相 应的动力学仿真与受力计算,结果表明口盖开闭过程中电 机具有一定驱动裕度,能够满足设计要求。

参考文献：

[1]

黄良甫，罗崇泰，等•航天容器的在轨排气分析[J].真空与低温， 1989,2:17-21.[2]

孙金镖，姚绍检，等•返回式卫星密封舱压力控制系统[J].航天医

学与医学工程，1998，11(3):189-193.

图3碟簧压块受力仿真分析

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