大型航天器地面零重力分离试验装备的制作方法

本发明属于航天器地面试验技术领域，具体涉及一种使用配重式方案满足大型航天器舱段垂直零重力分离的地面试验要求的分离试验装备。

背景技术：

当前，国内外已经存在一些已知的大型航天器地面零重力分离试验方法，主要分为：配重式、自由落体式和水平分离式等三种。国内比较权威的试验标准为GJB2203A。例如，CZ-2F返回舱和逃逸飞行器分离试验的试验原理采用自由落体方式。其中，为了保证航天员的生命安全，神舟号上带有逃逸系统，在发射后一定时段内如果出现异常，逃逸塔将带着半截整流罩、轨道舱和返回舱升空并转移到安全空间内，然后返回舱与逃逸飞行器进行分离，航天员乘返回舱回到地面。其试验系统由试验装置、上回收系统、下回收系统和摆动分离机构等四部分组成。

1)试验装置由试验架和组合悬吊系统组成，试验架由特制高强度大梁和柱块对接成的双龙门架组成，高16.5m，长和宽各4.8m。组合悬吊系统由5根钢梁、双铰链、杆系、上回收装置和吊具组成；

2)上回收系统由缓冲器主体、调节拉杆和钢丝绳组成，上端和梁连接，下端和限定重量的专用圆环板吊具相连。缓冲系统选用12组缓冲器，分两层组成：第1层回收一段时间后，第2层再参与回收；

3)下回收系统：试验时，以交叉叠集的方法，铺设泡沫海绵缓冲垫，其形状和返回舱舱底基本相似，上加双层锅状高强度尼龙网组合回收；

4)摆动分离机构：采用挂弹钩作为定角摆动释放装置。

此外，卫星包带解锁分离试验的试验原理是上部分试验件悬吊，下部分试验件自由落体。其试验方法通过在试验前将航天器和适配器整体吊起分离火工品(爆炸螺栓)起爆，适配器与航天器分离后自由落下。但该试验方法适用于初样和正样航天器。其中采用的试验装置一般包括火工装置、分离火工品发火控制装置、火工品测试盒、包带测量及加力设备、分离弹簧压缩器、工艺装配台架、脐带电缆脱落控制器及电缆、吊具、冲击响应测量仪器和照相设备。

另外还存在神舟飞船初样阶段的摆式分离试验，该试验的试验原理是试验件分离方向与重力方向垂直。其试验方法是将将试验件纵轴处于水平状态，并将被分离的两部分分别吊挂，按照时序进行解锁和分离。该试验方法适用于初样航天器。其中，采用的试验装置包括试验架(含起吊设备)、悬吊机构、时序控制装置(需要时)、引爆装置和保护装置等。

然而，对于由多个舱段垂直对接而成的航天器而言，在航天器整体完成振动试验后，须对各舱段进行分离试验，以验证分离功能正常。试验方案的选择主要约束条件：

1)实施可行性：该航天器不具备整体翻转为水平状态起吊的可行性，因为其缺乏相应的吊点，不具有将其吊装水平状态的可能。如果采用L型支架、工艺环等设备则大大增加试验件质量，使得分离速度等参数严重失真；

2)试验件的安全性：航天器均为真实产品，如果采用自由落体方式，舱体回收难度很大，无法采用海绵等进行回收，也无法采用吊具进行回收(吊点冲击受力过大)；

3)试验的技术难度：无论采用自由落体还是水平摆式分离，对试验的设计难度较大，特别是试验的工装设计；而采用配重式分离方式则难度较小；

4)试验的有效性：如采用卫星包带解锁分离试验方式，无法获得准确分离速度，不满足试验要求。

为了实现上述约束，迫切需要一种能够进行零重力分离试验的装置。

技术实现要素：

为了解决上述由多个舱段垂直对接而成的航天器的舱段分离试验问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、能够完全实现约束条件的大型航天器地面零重力分离试验装备。

本发明是通过如下技术方案实现的：

大型航天器地面零重力分离试验装备，包括试验支架、滑轮组件、缓冲机构、锁定机构、连接绳索、配重及提升机构、拉力记录仪和试验吊具，试验支架为立方体框架结构，框架结构的三个侧面上分别设置米字型的加强支撑杆，构成框架结构的四根立柱分别与连接立柱的横梁之间的夹角部通过倾斜的外接钢板筋加强，框架结构的剩余侧面上未设置加强支撑杆，框架结构的底面固定连接到地轨上，其中，连接绳索的一端绕过滑轮机构一吊设在上述剩余侧面一侧，绳索下端通过拉力记录仪连接有用于吊设大型航天器须分离舱段的试验吊具，连接绳索另一端绕过滑轮机构二连接有配重及提升机构，滑轮组件一和滑轮组件二分别设置在剩余侧面和其相对侧面的顶部横梁上以支撑绕过的连接绳索，连接绳索和配重及提升机构的连接部分附近设置锁定机构以保持保证舱段分离后的运动方向唯一，缓冲结构包括缓冲器和缓冲挡块，缓冲器设置在试验支架顶部连接绳索的运动路径上，连接绳索上设置缓冲挡块，缓冲器与缓冲挡块的距离大于900mm，吊挂舱体分离后，连接绳索带动缓冲挡块共同匀速运动，直至缓冲挡块冲击缓冲器，使得动能耗散。

其中，钢丝绳的连接采用钢丝绳夹、钢丝绳用套环、卸扣连接；绳索通过端头连接件汇集成一个连接点，端头连接件连接8条钢丝绳，其中2个连接点备用；6条绳索采用阻旋转型钢丝绳，抵消因绳索张紧/松弛引起的吊点旋转。

其中，试验吊具由垂直吊索、吊梁、斜吊索组成，通过调节垂直吊索长度。

其中，拉力记录仪由两个拉力传感器、信号放大器、数据采集卡、工控机组成，拉力传感器串联在试验吊具吊点上方，两个拉力传感器互为热备份，

其中，试验支架通过压板和地脚螺栓固定在地轨，固定点位于四个前后立柱和3条底部横梁处。

其中，滑轮组件由定滑轮、防护盖、滑轮安装轴和水平位置调整机构组成，滑轮用于安装连接绳索，并为连接绳索提供小摩擦阻力的支撑，滑轮采用滚动轴承结构形式。

本发明解决了大质量的航天器垂直零重力分离技术难题，适应的航天器质量范围宽，同时能够安全回收而不损伤产品，分离过程安全可靠，分离行程可调，零重力补偿效果可实时测量。

附图说明

图1为本发明的大型航天器地面零重力分离试验装备的结构示意图。

其中，1-地轨、2－配重及提升机构、3－锁定机构、4－试验吊具、5－拉力记录仪、6－连接绳索、7－缓冲机构、8－滑轮机构、9－试验支架。

图2为本发明的零重力分离试验装备中试验支架的结构示意图。

其中，801－底部横梁、802－前后立柱、803－水平加强支撑杆、804-斜向加强支撑杆、805－顶部前后横梁、806-缓冲装置安装梁。

图3为本发明的零重力分离试验装备中连接绳索的示意图。

其中，501－端头连接件、502－钢丝绳、503－缓冲挡块。

图4为本发明的零重力分离试验装备中试验吊具示意图。

其中，41－垂直吊索、42－吊梁1、43－斜吊索、44－吊梁2。

图5为本发明的零重力分离试验装备中锁定机构的示意图。

其中，201－链条导向器、202－逆止器、203－链轮、204－一维水平调节机构；

图6为本发明的零重力分离试验装备中缓冲机构的示意图。

其中，601－缓冲器支架、602－缓冲器、503－缓冲挡块；

图7为本发明的零重力分离试验装备中滑轮组件的示意图。

其中，7051－滑轮组件底座、7052－滑轮、7053－滑轮轴；

图8为本发明的零重力分离试验装备中滑轮组件调节装置的示意图。

其中，701－横向导轨1、702－横向导轨2、703－横向导轨3、704－纵向丝杆、705－滑轮组件、706-纵向导轨1、707－纵向导轨2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的大型航天器地面零重力分离试验装备进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

图1为本发明的大型航天器地面零重力分离试验装备的结构示意图。大型航天器地面零重力分离试验装备，包括试验支架9、滑轮组件(滑轮机构8)、缓冲机构7、锁定机构3、连接绳索6、配重及提升机构2、拉力记录仪5和试验吊具4，试验支架9为立方体框架结构，框架结构的三个侧面上分别设置米字型的加强支撑杆，构成框架结构的四根立柱分别与连接立柱的横梁之间的夹角部通过倾斜的外接钢板筋加强，框架结构的剩余侧面上未设置加强支撑杆，框架结构的底面固定连接到地轨1上，其中，连接绳索6的一端绕过滑轮机构8一吊设在上述剩余侧面一侧，绳索5下端通过拉力记录仪连接有用于吊设大型航天器须分离舱段的试验吊具4，连接绳索6另一端绕过滑轮机构8二连接有配重及提升机构2，滑轮组件一和滑轮组件二分别设置在剩余侧面和其相对侧面的顶部横梁上以支撑绕过的连接绳索6，连接绳索6和配重及提升机构2的连接部分附近设置锁定机构3以保持保证舱段分离后的运动方向唯一，缓冲机构7包括缓冲器和缓冲挡块33，缓冲器设置在试验支架9顶部连接绳索6的运动路径上，连接绳索6上设置缓冲挡块，缓冲器与缓冲挡块的距离大于900mm，吊挂舱体分离后，连接绳索6带动缓冲挡块共同匀速运动，直至缓冲挡块33(参见图3)冲击缓冲器，使得动能 耗散。

具体来说，图2中显示了本发明的零重力分离试验装备中试验支架的结构示意图。本发明的试验支架8的有效高度12000mm；跨度5200mm；深度5200mm；整体承载能力大于8200kg，单边承载能力大于4100kg；试验支架由以下部分构成：

1)前后立柱802共四条，截面尺寸400×100×6mm，由2根200×100×6mm型钢组合而成；后立柱由截面尺寸150×150×8mm的型钢组成；

2)顶部前后横梁805共两条，由截面尺寸400×100×6mm的型钢组成；

3)水平加强支撑杆803、斜向加强支撑杆804共32条，由截面尺寸100×100×6mm的型钢组成；

4)底部横梁801共三条，由截面尺寸200×100×6mm的型钢构成。

5)试验支架横梁最大垂直方向变形小于5mm：取连接绳索刚度为4×106N/m，在吊挂质量为4100kg条件下，绳索伸长量为10.25mm；根据试验要求，分离过程拉力变化量小于5％，即要求绳索伸长变化量小于0.5mm；0.5mm变化量平均至试验支架变形量、绳索自身变化量，则要求试验支架变化量小于0.25mm；折算至试验支架承载4100kg时应小于5mm。

试验支架通过压板+地脚螺栓固定在地轨(尺寸6000mm×6000mm)。固定点位于4个前后立柱、3条底部横梁。螺栓M40×140，螺栓头方形80×80×25mm，地轨间距190mm。地轨压板厚度40mm。加强支撑杆A、B与横梁、立柱的采用外接钢板筋形式连接。

图3显示了本发明的零重力分离试验装备中连接绳索的示意图。其中，连接绳索由6条Φ10mm钢丝绳并联组成，与滑轮直径Φ260mm适应。钢丝绳公称抗拉强度1570MPa、纤维芯Φ10钢丝绳的极限破断拉力为52.1KN。6条Φ10钢丝绳总破断拉力为52.1×6＝312.6KN，安全系数为7.6。连接绳索的其它设计：

连接绳索5由6条Φ10mm钢丝绳502并联、两件端头连接件501、缓 冲挡块503组成，其中钢丝绳直径与滑轮组件7上的滑轮直径Φ260mm相匹配。

钢丝绳502的选用公称抗拉强度1570MPa，极限破断拉力为52.1KN以上性能的阻旋转型钢丝绳，6条Φ10钢丝绳总破断拉力为52.1×6＝312.6KN。其中，

1)钢丝绳502与端头连接件501按照国家标准，采用的是钢丝绳夹、钢丝绳用套环、卸扣等连接；

2)端头连接件501最多可连接8条或更多钢丝绳，其余连接点可作为备用；

3)钢丝绳502中部安装有缓冲挡块503，其尺寸与缓冲机构6的尺寸相匹配。

图4显示了本发明的零重力分离试验装备中试验吊具示意图。其中，试验吊具3由垂直吊索301、吊梁一302、吊梁二304、斜吊索303组成，见图4，可以通过调节垂直吊索长度，具备质心调节能力，参见标准QJ 2472.1-1993《吊具通用技术条件-梁式吊具》和QJ 2472.2-1993《吊具通用技术条件-绳索吊具》。

本发明的配重机构用于平衡吊挂舱体的重力，并一定程度补偿滑轮组件的摩擦力。各种分离工况采用统一配重及提升机构，通过换装配重块来适应。

配重的质心过吊点，采用圆柱体钢材，尺寸约为Φ700×1400mm。

配重机构1由配重底盘101、支撑框架102、配重块103、半圆形顶盖104组成。其中，配重组件103采用圆柱体钢材，尺寸为Φ700×1400mm。

1)配重组件由多个配重块1032组成，配重块1032圆柱体母线上对称安装4个滚动轴承102。配重块顶面安装有卸扣，供连接绳索连接所用。

2)打开可拆装的半圆形顶盖104，在大质量配重块1031上安装吊环螺钉，利用吊车起吊配重块；

3)支撑框架102由2条梯形导向槽组成，与配重组件103上的滚动 轴承匹配；配重组件103在垂直方向运动时与支撑框架102的梯形槽无挤压力、无滑动摩擦力；支撑框架102高度3200mm。

1)配重组件：配重上安装有4个滚动轴承(垂直方向中心相错5mm)；配重顶面安装有卸扣，供链条连接所用，也可供升降机构起吊用。最小配重块质量1kg。超过16kg的大质量配重块的装卸方案：打开可拆装的配重框架半圆形顶盖，在大质量配重块上安装吊环螺钉，利用吊车起吊配重块进行拆装；

2)支撑框架：2条导向槽采用梯形槽形式，与配重上的4个滚动轴承适配，并留有间隙；配重垂直方向运动，与框架的梯形槽无挤压力、无滑动摩擦力，滚动摩擦力可忽略不计；配重支撑框架高度约3200mm；2条导向槽通过周向连接用于保持导向槽刚度和平行度、直线度；

3)配重缓冲垫：Φ700，单件厚度2mm航空橡胶垫，根据配重块与地面高度可调整，使得配重块实际有效行程略大于分离行程；

4)升降机构：由安装座、卷筒、减速器、电机、控制柜等组成，本体安装与试验支架加强支撑横梁上，采用控制柜操纵电机旋转。有效行程1800mm，运动精度5mm，最大速度10m/min，慢档不大于1m/min，速度三档可调，具有断电自锁功能，电源接口380V/10kW。

图5为本发明的零重力分离试验装备中锁定机构的示意图。其中，锁定机构2由一维水平调节机构204、2组逆止器202、链轮203、1根链条(图中未表示)、2件链条导向器201(图中仅表示了其中一组)组成。

1)一维水平调节机构204的底座固定在试验支架8的水平加强横梁803上，用于调节链轮203与链条的相对位置；一维水平机构204通过手轮进行调整，行程+100至-200mm；

2)链轮203与链条匹配选择；逆止器202的内齿采用千斤和千斤簧方式单向锁定，正向转动阻力不大于5N，反向转动止动力不小于15000N；

3)链条有效长度大于1500mm，两端分别与连接绳索5、配重机构1连 接，承载能力大于4100kg，根据GB/T1243-2006滚子链的参数尺寸和承载能力，选择ISO链号为20A-3-1000500，节距15.87531.75mm，链节数1000，三排，抗拉载荷260.2KN；

4)链条导向器201通过支架安装于试验支架8的水平加强横梁803上，保证链条与链轮203接合良好。

锁定机构为单向逆止结构，作用在于防止分离后的吊挂舱体意外反向回弹与固支舱体碰撞。

图6为本发明的零重力分离试验装备中缓冲机构的示意图。吊挂舱体分离后将与配重、连接绳索共同匀速运动，缓冲机构用于将组合体动能消耗，使得运动速度平稳降低为0。缓冲机构6由缓冲器支架601、缓冲器602、缓冲挡块503组成，其中缓冲器支架601安装在试验支架8的两条缓冲支架安装梁804上，与缓冲挡块503的水平距离大于900mm。两个缓冲器602选用koba缓冲器，具体型号根据使用需求进行选择。其安装位置沿轴向具有54mm以上的位移微调量、±5°的角度微调量，位移调节精度1mm，角度调节精度0.2°，并有刻度指示。其构成的平面可根据缓冲挡块503的接触平面进行调整，使得2个缓冲器602同步与缓冲挡块503碰撞。

图7为本发明的零重力分离试验装备中滑轮组件的示意图。滑轮组件7由定滑轮7053、防护盖(图中未表示)、滑轮安装轴7051和水平位置调整机构组成。其中，

1)定滑轮7053采用滚动轴承结构形式，摩擦阻力系数小于0.002；根据JB/T9005.3-1999，选用带滚动轴承(严密密封)、有内轴套的A型滑轮，数量共8个，其中2个备用；

2)滑轮组件水平位置调整机构调节范围为横向±400mm，纵向±200mm。滑轮组件横向单边调节极限400mm时，处于试验支架8顶部的连接绳索5相对定滑轮7053的角度偏移约为4.4°，小于国家标准规定的5°要求。

缓冲机构是试验平台的关键部件，安装在试验支架顶部，与缓冲挡块距 离大于900mm(即要求大于分离行程)。吊挂舱体分离后，连接绳索带动缓冲挡块共同匀速运动，直至缓冲挡块3冲击缓冲器，使得动能耗散。缓冲挡块设计导向装置(图中未表示)，防止缓冲挡块与缓冲器碰撞时发生脱离。

缓冲器2及其缓冲器支架71在试验平台上的位置根据不同分离工况调整安装位置，保证与缓冲挡块3的距离与分离行程相符。并且2个缓冲器构成的冲击平面应根据缓冲挡块3的角度偏斜进行调整，使得2个缓冲器22同步与缓冲挡块接触，因此缓冲器2安装位置沿轴向至少具有54mm的位移微调量、±5°的角度微调量，位移调节精度1mm，角度调节精度0.2°，并有刻度指示。

缓冲器2的裕度设计：以总动能的1.6倍作为单个缓冲器2的最小设计吸能容量，安全裕度为2.2，安全系数为3.2。通过选用不同规格的缓冲器，使得缓冲过程中加速度小于1g，并且缓冲行程应大于吊挂舱体抛物运动行程。

以某舱段分离过程为例，分离舱段以速度0.41m/s向上运动，自由抛物运动行程为V2/2g＝8.6mm。缓冲行程应大于该抛物行程，综合考虑缓冲能量要求，结合产品手册取为25mm。缓冲效果分析：缓冲加速度a＝V2/(2×S)＝3.4m/s2(其中S为缓冲器行程，V为速度)。S＝25mm，V＝0.41m/s，小于1g，，满足舱段受力冲击受力要求。

图8为本发明的零重力分离试验装备中滑轮组件的调节机构的示意图，图中，本发明的滑轮组件的调节机构由定滑轮7053、防护盖(图中未表示)、滑轮安装轴7051和水平位置调整机构组成，其中，1)定滑轮7053采用滚动轴承结构形式，摩擦阻力系数小于0.002；根据JB/T9005.3-1999，选用带滚动轴承(严密密封)、有内轴套的A型滑轮，数量共8个，其中2个备用；

2)滑轮组件水平位置调整机构调节范围为横向±400mm，纵向±200mm。滑轮组件横向单边调节极限400mm时，处于试验支架8顶部的连接绳索5， 相对定滑轮(7053)的角度偏移约为4.4°，小于国家标准规定的5°要求。的示意图。滑轮组件由定滑轮、防护盖(图中未表示)、滑轮安装轴和水平位置调整机构(水平位置调整结构包括横向导轨一701、横向导轨二702、横向导轨三703、纵向丝杆704、纵向导轨一706、纵向导轨二707)组成。滑轮用于安装连接绳索，并为连接绳索提供小摩擦阻力的支撑。滑轮采用滚动轴承结构形式，摩擦阻力系数小于最小0.002。

根据JB/T9005.3-1999，选用带滚动轴承(严密密封)、有内轴套的A型滑轮，根据连接绳索的直径选择滑轮尺寸，Φ10钢丝绳选择直径Φ260mm的铸造滑轮，单个滑轮承载大于1000kg(安全系数5)，数量共8个，其中2个备用。

前横梁上的滑轮组件设计水平位置调整机构(手动)，横向±400mm(零位为试验支架前横梁中心)、纵向±200mm(零位为滑轮组件安装轴根部与试验支架前横梁对齐)可移动，在调整合适后通过螺栓固定在支架上，调节量有刻度指示。在X、Y均为零位状态，可通过螺栓将滑轮组件与试验支架固连。

滑轮组件与支架呈45°安装，以改善滑轮安装轴和试验支架受力情况。

在不同分离工况下，根据钢丝绳数量和规格，选择2～6不同数量的滑轮，使动静摩擦系数尽量小，转动惯量尽量小。

滑轮组件横向单边调节极限400mm时，处于试验支架顶部的连接绳索相对滑轮的角度偏移约为4.4°，小于标准规定的5°要求，因此连接绳索不会从滑轮槽内脱出。

8.拉力记录仪

拉力记录仪由拉力传感器(2个)、信号放大器、数据采集卡和软件、工控机等组成。其中2个拉力传感器串联在试验吊具吊点上方，2个拉力传感器互为热备份，作为配重调整的依据、记录分离过程中实际重力补偿效果，记录数据可在软件中绘制时域曲线。

拉力传感器初步选择型号为航天701所生产的S型拉力传感器BK-2B，根据承载能力不同，选择不同规格使得传感器实际使用范围在量程50％～90％区间。该型号传感器测量精度为1/1000～5/10000，数据采样频率1kHz。

传感器不包括连接环的尺寸为60mm×25mm×(70～108)mm(长)，材料为钢质，拉伸刚度远大于连接绳索刚度，不影响系统拉伸刚度。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。