一种三单元立方体卫星分离装置的机械设计

贾磊朋 刘建

摘 要：立方星作为一种微纳卫星，具有成本低，功能密度大，研制周期短，入轨快的等特点，被广泛应用于大学开展航天科学研究和教育。其通过组网形成星座，可以实现对海洋、大气环境、船舶、航空飞行器等的监测。本文主要包括立方星和分离机构的发展和发展现状的简介，并从工作原理、机械结构两方面进行简单的介绍。释放分离装置主要由矩形框架、弹簧机构、门锁机构、控制电路及与运载器之间的电气和机械接口组成.

关键词：立方星；航天科学；分离装置

1 研究背景

随着社会的进步和科技的发展，微电子、微机械、纳米等技术的发展和卫星设计的创新，小卫星技术日新月异，小卫星产业也逐渐成为世界航天活动高速发展的主要驱动力和重要发展领域，正孕育着未来航天发展的重大变革。立方星作为国际上广泛用于大学开展航天科学研究和教育的一种小卫星，因为其具有成本低、功能密度大、研制周期短、入轨快等优势，并能通过组网形成星座，可以实现对海洋、大气环境、航空飞行器、船舶等的监测，从而发展迅速。

國际上习惯把质量小于一顿的卫星称为小卫星。最早在1999年，美国斯坦福大学教授汤姆肯尼对皮卫星提出了一种新概念—立方星，其重量1千克，体积为100mm×100mm×100mm，也叫作1U，由若干颗立方星即若干个U可以组成立方体纳卫星，从那以后，立方星和立方体纳卫星则得到了迅速发展。下表列出了一些立方星按质量的分类标准。

目前国内外已有近100颗微小星发射入轨，被广泛应用于大学开展航天科学研究与教育，在立方星释放机构方面我学习和了解了立方星发射历史上的多个经典案例，如下图所示：

2 分离装置工作原理

立方体卫星释放分离机构是装载卫星后搭载着运载火箭进入太空的，当装置到达预定轨道，此时运载方发射一个分离信号，控制门锁机构打开舱门，舱门解锁后在扭簧的作用下沿着舱门转轴转动100 度至抱剎机构工作，此时舱门完全打开，由于动力弹簧的作用，底托装置沿导轨从装置底部推动立方星至顶端，此时立方星完全脱离分离装置，完成部署。

3 机械结构设计

3.1 动力弹簧设计

动力弹簧是立方星与分离装置实现分离的储能零件，主要作用是在运载器携带分离装置入轨后将储能释放出来，实现分离。释放分离装置长宽比较大，所以分离弹簧行程较长。援助弹簧具有精密的调节性能，柔软性能较好，容易制造，结构紧凑，能量利用率高，完全适合分离所需分离弹簧的要求。在不考虑分离弹簧弹性阻尼、舱门转动摩擦力、立方星与导轨间的摩擦力以及舱门对立方星干涉作用等前提下，分离弹簧的弹性势能全部转化为立方星的动能，由能量守恒原理，有如下关系：

式中k为动力弹簧的弹性系数；x为动力弹簧初始压缩量，F为分离弹簧初始压力，m为立方星的质量，v为立方星初始分速度。当立方星分离机构总装完成后，立方星的质量m固定，为使立方星初始分离速度满足技术指标要求，可以通过分离弹簧刚度k和初始压缩量x的设计来保证。

3.2 装置的主承力框架

释放分离机构主干部分是一个矩形框架，主要由横梁和立柱底盖搭建而成。通过标准立方星的大小，确定方形横梁的基本尺寸，保证立方星能够成功容纳于分离装置。这种由几部分成功搭建的矩形框架，比较容易进行测试、调试、修改。主承力框架由上示横梁及底板和立柱搭建而成，四个立柱互不相同，最右边两个立柱内侧则附有导轨，以保证卫星的‘零障碍滑动，三个中间的横梁设计则完全一致。

3.3 滑动底托设计

底托装置在卫星与分离装置分离过程中起着直接推动作用。其与底盖之间用弹簧相连，底托主要由上底托板、下底托板、四个底托支撑及四个3×8×8的轴承和弹簧、垫片组成。对角的两个底托支撑则一致，两个装轴承的底托支撑中，其中一个加弹簧增加弹力，一个加垫片保持厚度，这样就能够保证底托在矩形框架内的导轨上已微小摩擦滑动，这样的设计也保证了调试的方便。

3.4 阻车机构和抱剎机构设计

当舱门关闭，电磁锁处于锁死状态时，卫星底托处于最下方，且此时动力弹簧处于压缩状态，同时阻车机构处于阻车状态：卫星在分离机构内不受动力弹簧的作用。

针对三单元立方体分离装置，其阻车机构由长螺纹杆，小弹簧、阻车块及螺母组成。由于三单元分离装置分离前高度为415mm，考虑到国内对于过长螺纹杆的加工水准，特别地，将长螺纹杆设计成两段不等长度的螺纹杆，中间采用内螺纹筒链接。在靠近螺纹杆的立柱上，其与每个横梁的连接点附近设有防止阻车块的槽，共计四个，通过螺纹杆串联，稳定在特定槽内。在每个阻车块上下两端，通过四个螺母，形成两对对顶螺母，下端的螺母与阻车块之间加一弹簧，防止阻车块上下活动，影响阻车效果。

当舱门开启释放卫星时，在舱门转动过程中，阻车机构仍然处于阻车状态，这样的设计保证了舱门在未完全开启时，不会与卫星发射碰撞，有效地防止了发射事故。当舱门完全开启，卡门器处于工作状态时，阻车块阻车失效导轨完全光滑，被压缩的动力弹簧在弹性势能的作用下，将卫星送离分离机构，使其进入预定轨道。

3.5 电磁锁设计

卫星在同运载器进入太空，到与分离装置分离前，都是安装在分离装置内。舱门利用电磁锁将其锁死，防止在运载过程中意外打开，导致发射任务失败。舱门的开关由电磁控制，通电前，锁吸快和电磁铁相吸，当电磁系统提供电源后，失电型电磁铁失去磁性，锁吸快在弹簧的拉力作用下被拉向两侧。同时，由于杠杆作用原理，电磁锁上的轴承脱离顶盖前端的卡槽，顶盖在顶盖转轴中部扭簧以及顶盖内侧弹力弹簧的双重作用下，绕顶盖转轴旋转打开，当顶盖转动到一定角度，抱剎机构生效，卫星顺利弹出。顶盖上的电磁锁卡槽设计成可以360度转动的形式，当锁吸快任意一块失去磁性，即任意一个锁轴承脱离卡槽，舱门即会开启，这样保证了舱门开启额可靠性，减少了不必要的事故隐患。

3.6 蒙皮设计

蒙皮是对主体框架的包装，一方面显得美观大方，另一方面，蒙皮也是机械结构设计中不可或缺的一部分。蒙皮的设计保证结构简单，便于拆卸和组装，同时也需要尽可能减少质量，增加整个释放分离系统的可靠性。针对三单元立方星分离机构，蒙皮主要固定到分离机构的立柱上，通过部分连接件以及螺纹孔进行螺纹连接。特别的，由于三单元分离装置中部有两层立方块，其蒙皮设计完全相同。蒙皮与分离装置的立柱之间通过螺纹固定连接，同时考虑到温度对材料的影响，蒙皮设计采用航空铝材材料，加强了其结构的稳定性。

3.7 释放分离机构和运载器之间的连接设计

释放分离机构携带立方星必须搭载运载火箭才能顺利进入轨道，而运载器与分离装置之间的连接也是分离装置设计过程中的重要一部分。

如果运载器和分离装置的的连接是直接和立柱或是横梁连接的，由于分离机构小巧玲珑，质量轻，功效大，这势必会使其发生变形，一定程度上影响影响卫星的成功分离[14]。因此，我们设计采用了连接件来保证分离装置与运载器之间的安全连接。考虑到发射过程中，运载器和释放分离机构与空气之间的一系列震动问题，连接件我们选用了钛合金材料，这样保证了一定的强度和硬度，防止了因震动松动或是材质差而导致的变形，影响正常的发射分离。

4 总结

1）随着科技的进步，学者们對微小卫星的研发有了显著的成果，但是针对卫星发射所需求的分类装置，由于缺乏合适的星箭分离装置，而一定程度上限制了立方星领域的发展。也正是由于释放分离装置的原因，以及航天飞行器的发射环境条件和其他外部因素，从而导致了大多立方星的发射事故，显然，立方星的发射成功与否，很大程度上与释放分离机构有着必然的联系。

2）该三单元立方体卫星分离装置的成功应用，还需进行一系列的试验、仿真等改进过程，比如还需进行热真空试验，有限元模拟仿真，静力学分析等等，在进一步的设计试验还需较长一段时间的工作开展。

参考文献

[1]张佼龙，周军.立方星星箭分离机构运动系统的设计与验证[J].光学精密工程，2017，25（04）：387-395.

[2]林来兴.立方体星的技术发展和应用前景[J].航天器工程，2013，22（03）：90-98.

[3]姚敏、赵敏.微小卫星智能化星务系统关键技术研究.南京航天航空大学.2008.TP301.6

[4]张佼龙，周军.立方星星箭分离电磁解锁机构[J].光学精密工程，2018，26（03）：606-615.