俞 瑜,宋 偉,葉振東,杜婉婷,盛文杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

隨著人類邁入太空時(shí)代,各類航天器與我們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)系日趨密切。無論是環(huán)境觀測、氣象觀測,全球通訊廣播、電視轉(zhuǎn)播及地理定位的數(shù)據(jù)通信和信號轉(zhuǎn)播等衛(wèi)星,還是空間試驗(yàn)的極軌道、共軌道、靜止及載人空間站,載有哈勃望遠(yuǎn)鏡等觀測設(shè)備的軌道天文臺,往返天際與地球間運(yùn)輸?shù)挠钪骘w船和軌道間輸送機(jī)等,這些航天器已經(jīng)在人們的生活中起到了越來越重要作用。目前我國的航天器品種主要是資源、氣象、海洋等觀測遙感衛(wèi)星,通信廣播和導(dǎo)航衛(wèi)星,載人航天器等。

航天器運(yùn)動機(jī)構(gòu)應(yīng)用了需要完成多種功能要求的各類微特電機(jī)。例如:電池陣列展開驅(qū)動用電機(jī)與齒輪減速組件,天線展開驅(qū)動和方向調(diào)整用電機(jī)與齒輪減速機(jī)構(gòu),觀測用光學(xué)相機(jī)、光電望遠(yuǎn)鏡的掃描驅(qū)動與方向調(diào)整用電機(jī)與齒輪減速裝置,空間機(jī)械臂運(yùn)動用電機(jī)組件,用于控制姿態(tài)的飛輪旋轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)組件等。一個(gè)航天器中一般需要使用多臺電動機(jī),例如:日本試驗(yàn)衛(wèi)星(Japan Experiment Module,JEM)就使用了幾十臺電機(jī)組件裝置。而這些運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的電機(jī)也是航天器最終功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。目前高可靠性運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要采用有源驅(qū)動,即采用電機(jī)作為系統(tǒng)驅(qū)動源,并根據(jù)系統(tǒng)對運(yùn)動控制精度的不同要求,分別采用開環(huán)和閉環(huán)控制[1]。

航天器在外層空間飛行時(shí)所處的環(huán)境條件稱為空間環(huán)境,它對航天器的運(yùn)動和系統(tǒng)的工作有著明顯的影響。空間環(huán)境中存在空間輻射、極端溫度、高真空等。它的基本要求:真空度10-5～10-10Pa、溫度-150℃～+150℃、輻射104Rad;同時(shí)還有正弦振動、隨機(jī)振動和沖擊等力學(xué)環(huán)境要求。這使得其空間環(huán)境用微特電機(jī)的設(shè)計(jì)方法與地面用微特電機(jī)有很大的區(qū)別[2]。

1 空間環(huán)境下微特電機(jī)的典型應(yīng)用

目前各類航天器中均裝備發(fā)射及接收天線、太陽能電池陣列、觀測或探測器件、姿態(tài)控制、消旋平臺等組件,這些核心功能部件是航天器完成基本功能所必備的。以微特電機(jī)組件作為驅(qū)動源,航天器用電機(jī)組件一般包括:主驅(qū)動電機(jī)、減速裝置、制動器、角度位置或速度傳感器以及驅(qū)動控制電路等部分。主驅(qū)動電機(jī)可選擇的類型為無刷直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、永磁交流伺服電動機(jī)等,減速裝置可選擇蝸輪蝸桿、諧波齒輪、小模數(shù)行星齒輪等形式,其他部分則根據(jù)對載荷系統(tǒng)要求進(jìn)行不同的配置方案,并籍以達(dá)到系統(tǒng)功能和控制精度。例如:針對太陽能電池陣列的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)速低并且控制精度要求不高,可以選擇步進(jìn)電動機(jī)、齒輪對減速結(jié)構(gòu)及開環(huán)驅(qū)動控制;簡單、可靠,是目前應(yīng)用較普遍的一種類型。但當(dāng)天線方向調(diào)整、望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動等載荷系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動要求大轉(zhuǎn)矩、較高位置定位和控制精度時(shí),則需要采用無刷直流電動機(jī)、高精度減速裝置和角度位置編碼器進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動控制;這種高精度無刷直流電動機(jī)組件方案也是新型載荷系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動控制的發(fā)展方向。目前微特電機(jī)在航天器中典型應(yīng)用實(shí)例如下:

1.1 天線展開機(jī)構(gòu)

如圖1所示,航天器進(jìn)入太空至預(yù)定的軌道運(yùn)行,即要收發(fā)各類信息,此時(shí)信息發(fā)送、接收天線應(yīng)自動按設(shè)定程序展開并伸出航天器。其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般采用混合式步進(jìn)電動機(jī)、齒輪減速組件,電機(jī)通過減速帶動長絲桿緩慢旋轉(zhuǎn),使與絲桿配套的特制螺母帶負(fù)載作直線運(yùn)動,從而將天線向外展開。天線展開機(jī)構(gòu)用電機(jī)組件的性能指標(biāo)和可靠性直接影響天線的展開,也影響航天器數(shù)據(jù)交匯通訊的質(zhì)量。

圖1 航天器用微特電機(jī)圖釋

1.2 太陽能電池陣列

航天器的太陽能電池陣列是提供在軌運(yùn)行的電能源。航天器發(fā)射過程中,太陽能電池陣列帆板用特殊螺栓固定,使之處于折疊收縮狀態(tài)。至預(yù)定軌道后,由地面遙控引爆其固定螺栓,展開帆板并保持朝向太陽,從而獲得最大能量。但是航天器要繞地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)、自身的調(diào)整等,導(dǎo)致展開的帆板朝向變化;為此需有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu),使帆板朝向作緩慢旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,通過控制指令,調(diào)節(jié)帆板朝向姿態(tài)至朝陽。在這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)中,一般采用混合式步進(jìn)電動機(jī)、齒輪減速組件,驅(qū)動電池陣列帆板轉(zhuǎn)動。

1.3 光學(xué)相機(jī)、光電望遠(yuǎn)鏡探測系統(tǒng)

目前各類航天器裝備光學(xué)相機(jī)、光電望遠(yuǎn)鏡探測系統(tǒng)。這類載荷系統(tǒng)通過光學(xué)和電荷耦合(CCD)原理,以光學(xué)方式將動態(tài)探測物成像后處理轉(zhuǎn)換成電信號,再編碼經(jīng)專用芯片可數(shù)字通信傳輸并成像。例如:紅外多光譜探測器以探測物的紅外輻射量轉(zhuǎn)換成電量,再編碼等專業(yè)技術(shù)處理,直接數(shù)字化成像。這些光學(xué)與光電探測系統(tǒng),雖其工作原理不盡相同,但其中均含有光學(xué)調(diào)整、轉(zhuǎn)動掃描機(jī)構(gòu),需要用電機(jī)組件來驅(qū)動完成調(diào)焦、擺動鏡片等運(yùn)動。通常低精度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)采用開環(huán)驅(qū)動控制步進(jìn)電動機(jī)、減速齒輪組件;高精度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)則采用閉環(huán)驅(qū)動控制無刷直流電動機(jī)、減速和角度位置編碼器組件。亦即航天器的探測系統(tǒng)好似“人眼”,而電機(jī)組件則是睜眼的關(guān)鍵。

1.4 機(jī)械式消旋平臺

航天器進(jìn)入太空至預(yù)定的軌道運(yùn)行,要求航天器上的天線射束指向地球,使星地之間信息數(shù)據(jù)有效傳送。由于航天器要繞地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)以及自身的調(diào)整,天線射束指向發(fā)生變化;這就需要航天器的消旋平臺來消除天線射束指向位置的變化,而處于相對鎖定狀態(tài)。其機(jī)械式消旋平臺有驅(qū)動源為電機(jī)組件的運(yùn)動機(jī)構(gòu),一般采用混合式步進(jìn)電動機(jī)、齒輪減速組件。工作原理為:控制器啟動步進(jìn)電動機(jī)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)換到電路鎖相狀態(tài)即PLL模式,天線射束未準(zhǔn)確對準(zhǔn)地球目標(biāo)時(shí),通過鎖相電路驅(qū)動控制電機(jī)旋轉(zhuǎn),直至天線射束被調(diào)整到指向所需的地球目標(biāo)。

2 空間環(huán)境下的微特電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

通過以上的幾個(gè)典型應(yīng)用介紹,我們可以發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境下的微特電機(jī)的應(yīng)用前景是廣闊的?？臻g環(huán)境的特殊性使得空間環(huán)境下的微特電機(jī)應(yīng)用技術(shù)主要側(cè)重于可靠性技術(shù)。隨著航天技術(shù)的發(fā)展,各類航天器的設(shè)計(jì)壽命不斷提高,從2年提高至15年。除了載人航天器及可回收衛(wèi)星外,其他航天器發(fā)生了故障一般不進(jìn)行修理,即便可修理,費(fèi)用也十分高昂。因此工作期間一般不允許發(fā)生故障,對航天器用微特電機(jī)也提出了高可靠性的要求。

2.1 材料選擇

空間環(huán)境下的微特電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)首先是材料的選擇:第一,空間環(huán)境用微特電機(jī)必須使用逸出氣體少的材料。根據(jù)日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)(NASDA)規(guī)定,表征材料逸出氣體量的指標(biāo)主要有以下兩個(gè):即TML(質(zhì)量損失比)不大于1%、CVCM(再凝縮物質(zhì)量比)不大于0.1%,原則上滿足上述指標(biāo)的材料才可以使用[1];第二,需要使用熱傳導(dǎo)性能好,對溫度周期變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力的適應(yīng)能力強(qiáng),可適用溫度范圍為-55℃～+125℃的材料;第三,在宇宙射線的照射下,有機(jī)材料的性能將逐漸變壞,應(yīng)選用耐輻照材料。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

空間環(huán)境下的微特電機(jī)有體積小、重量輕、性能高、可靠性好,壽命長等,結(jié)構(gòu)形變對性能下降甚至失效的影響極大。從步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)來說,其定子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,由鐵心、線圈、機(jī)殼、端蓋等組成,既要支撐軸承,還要支撐轉(zhuǎn)子,所以其在溫度和機(jī)械應(yīng)力作用下長期穩(wěn)定工作至關(guān)重要。因此特殊環(huán)境條件下材料變形及其機(jī)械尺寸的變化對航天器用微特電機(jī)性能的影響有待進(jìn)一步研究。

2.3 熱設(shè)計(jì)技術(shù)研究

真空環(huán)境中電機(jī)損耗產(chǎn)生熱量及機(jī)械摩擦產(chǎn)生熱量的散熱方式只能是熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種,不存在對流散熱方式,因此散熱速度較為緩慢,而航天器整體是一不等溫體,各部件間溫度梯度較大,因此熱場的變化對電機(jī)工作穩(wěn)定性影響很大。溫度梯度嚴(yán)重影響時(shí)甚至將導(dǎo)致電機(jī)工作失效,因此需要模擬真空環(huán)境對航天器用微特電機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

2.4 軸承潤滑技術(shù)研究

軸承是保證空間環(huán)境下的微特電機(jī)運(yùn)行可靠的關(guān)鍵,而軸承潤滑方式則是重中之重。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),軸承的失效大多是由于安裝不當(dāng)或是潤滑技術(shù)不佳所致,因此首先要保證軸承結(jié)構(gòu)及尺寸精度,其次選擇合適的潤滑方式,同時(shí)還與電機(jī)的軸承工作與安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式等技術(shù)有關(guān)。目前短時(shí)、低速工作狀態(tài)航天器用微特電機(jī)的軸承普遍采用固體潤滑,但該技術(shù)仍不太完善,在高速、長壽命應(yīng)用場合,如何保證長壽命要求仍是一大難題。

2.5 總裝工藝技術(shù)研究

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),產(chǎn)品總裝工藝也是能否長期正常工作的關(guān)鍵之一。需要研究合理的總裝工藝,開發(fā)專用總裝設(shè)備和定位工裝夾具,以獲得較高的裝配精度,最大限度地減小空載損耗。

2.6 開展極限溫度下產(chǎn)品研究

深空極限溫度為-150℃～+150℃,對各類航天產(chǎn)品在深空中的耐受能力提出了更高要求,同時(shí)愈來愈多的航天器用微特電機(jī)在艙外運(yùn)行,表面溫度跨度變化很大,因此必須進(jìn)行極限溫度下電機(jī)正常工作的技術(shù)研究。

3 結(jié) 語

隨著宇航事業(yè)高速發(fā)展,促使空間環(huán)境用微特電機(jī)向著結(jié)構(gòu)小型化、控制數(shù)字化、功能組件化、長壽命高可靠方向發(fā)展。高精度開環(huán)驅(qū)動控制步進(jìn)電動機(jī)、齒輪減速組件,旋轉(zhuǎn)變壓器、周軸角編碼組件和進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動控制無刷直流電動機(jī)、減速裝置和角度位置編碼器、制動器組件一體化產(chǎn)品是空間環(huán)境用微特電機(jī)的發(fā)展方向。

[1] 海老原大樹.電動機(jī)技術(shù)實(shí)用手冊[M].北京:科學(xué)出版社,2006:940-943.

[2] 陳元基.概論宇航用伺服電機(jī)組件技術(shù)[C]//中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所建所四十周年論文集,2003.