劉繼奎，于國慶，崔赪旻，王友平

(北京控制工程研究所，北京 100190)

中繼衛(wèi)星作為地球同步靜止軌道衛(wèi)星用以實現(xiàn)地面站對中、低軌道航天器的跟蹤和信息數(shù)據(jù)傳送，帶有大型的星間鏈路天線，口徑大，指向精度要求高［1］.星間鏈路天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)(GDA)是中繼衛(wèi)星必備的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝于衛(wèi)星本體之外，采用雙軸形式具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度，可以驅(qū)動星間鏈路天線分別繞方位軸和仰角軸轉(zhuǎn)動，較一般衛(wèi)星天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)具有長壽命、大驅(qū)動力矩、高精度指向和適應(yīng)復(fù)雜空間環(huán)境的任務(wù)要求［2］.

諧波傳動具有減速比大、同時嚙合齒數(shù)多、承載能力大、傳動精度高、齒側(cè)間隙小、結(jié)構(gòu)簡單及重量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、機(jī)床及儀器儀表、醫(yī)療器械、石油化工等多個領(lǐng)域［3-4］，是GDA設(shè)計的較好選擇.本文分析了星間鏈路天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計約束，對基于諧波傳動的設(shè)計方案及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，介紹了開展長壽命和高精度捕獲跟蹤性能驗證的試驗方案.

1 設(shè)計約束分析

在中繼衛(wèi)星中，GDA是完成建立星間通信鏈路的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其負(fù)載是大型星間鏈路天線，一般由衛(wèi)星姿態(tài)和天線指向復(fù)合控制計算機(jī)完成控制任務(wù)，并需要適應(yīng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計以及熱、輻照等空間環(huán)境的要求.

主要設(shè)計約束分析如下:

1)整星結(jié)構(gòu)布局.主要包括天線、射頻發(fā)射與接收設(shè)備、天線展開支架及GDA的結(jié)構(gòu)布局安排，約束要素包括外形尺寸、機(jī)械安裝形式、轉(zhuǎn)角范圍及高頻電纜的走線方式等，特別是天線與衛(wèi)星其它結(jié)構(gòu)間的干涉情況.

2)負(fù)載特性.星間鏈路天線口徑尺寸大，重量和轉(zhuǎn)動慣量也較大，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)撓性大，需要GDA的驅(qū)動能力、結(jié)構(gòu)剛度和基頻與之相適應(yīng).

3)天線與衛(wèi)星本體之間的信號傳輸方式.由于天線只在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)運(yùn)動，一般不采用導(dǎo)電環(huán)進(jìn)行信號傳輸，主要采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或高頻電纜直接傳輸.采用高頻電纜傳輸時需要考慮電纜的固定、運(yùn)動方式以及其扭轉(zhuǎn)力矩的影響.

4)轉(zhuǎn)角范圍與運(yùn)動方式.根據(jù)目標(biāo)星的運(yùn)行軌道，一般限定天線在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，根據(jù)跟蹤頻次作間歇或連續(xù)運(yùn)動.在捕獲目標(biāo)星過程中，需要GDA在較小的角度范圍內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，這對GDA的傳動及摩擦系統(tǒng)具有更高的要求.

5)轉(zhuǎn)動速度.分為跟蹤速度、掃描捕獲速度和快速機(jī)動速度.這需要GDA的電機(jī)驅(qū)動速度、傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)頻率以及整個驅(qū)動傳動系統(tǒng)響應(yīng)帶寬與之匹配.

6)捕獲跟蹤性能要求.包括GDA的驅(qū)動力矩、定位保持力矩、傳動精度、回差、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、諧振頻率、響應(yīng)帶寬以及壽命等性能，需要在壽命初期至壽命末期全程滿足任務(wù)要求.

7)力學(xué)與空間環(huán)境特點(diǎn).主要包括發(fā)射階段的沖擊振動和空間輻照、極限溫度范圍及冷熱交變狀況等.沖擊振動可能會引起GDA的安裝機(jī)械零位和測角傳感器零位的漂移.GDA安裝在衛(wèi)星本體之外，在軌所處的輻照、熱等空間環(huán)境相對惡劣.這需要GDA的結(jié)構(gòu)設(shè)計、非金屬材料選擇以及潤滑系統(tǒng)的潤滑劑選擇能夠適應(yīng)這些環(huán)境要求.

8)地面環(huán)境適應(yīng)性.主要包括地面環(huán)境濕度、潔凈度及重力等因素產(chǎn)生的銹蝕、污染及附加力、力矩等對GDA的影響.特別是天線重量大，所以地面試驗時需要對天線系統(tǒng)進(jìn)行重力卸載.

9)加工工藝性.包括原材料的可獲取性、零件設(shè)計尺寸精度與機(jī)床加工精度的匹配性、特種工藝可實現(xiàn)性以及加工成本和周期等.

10)可靠度與技術(shù)成熟度要求.為實現(xiàn)產(chǎn)品高的可靠度和技術(shù)成熟度，應(yīng)盡量減少串聯(lián)環(huán)節(jié)上的功能部件數(shù)量和不可檢、難于控制的特種工藝技術(shù)的選用，較多地繼承或沿用成熟的零部組件和工藝技術(shù)，設(shè)計完成后開展充分的分析和驗證.

11)輕量化要求.受發(fā)射能力和發(fā)射成本的限制，輕量化是所有航天產(chǎn)品的基本要求.在滿足功能性能需求和保證一定安全系數(shù)的條件下，應(yīng)盡可能降低產(chǎn)品重量.對于GDA而言，輕量化的難度在于還要保證結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度和高剛度，以滿足捕獲跟蹤系統(tǒng)對其模態(tài)的要求.

2 方案設(shè)計與主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 方案設(shè)計

2.1.1 雙軸構(gòu)型

雙軸構(gòu)型常用有三種形式.

一是框架支撐型.由內(nèi)外框架構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)軸的支承跨距大，結(jié)構(gòu)剛度相對較強(qiáng).示例如圖1所示，是俄羅斯NPO PM公司(列舍特涅夫應(yīng)用力學(xué)科學(xué)研究生產(chǎn)聯(lián)合體)為射線中繼衛(wèi)星Loutch(Luch)研制的天線驅(qū)動機(jī)構(gòu).機(jī)構(gòu)采用“步進(jìn)電機(jī)+諧波齒輪”的驅(qū)動傳動方案，負(fù)載為展開式網(wǎng)狀天線，載荷的轉(zhuǎn)動慣量為10kg·m2.

圖1 俄羅斯Loutch(Luch)衛(wèi)星天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)Fig.1 GDA for Loutch(Luch)Satellite，Russia

二是對稱支撐型.雙軸連接支架在每軸上為雙端連接，承受負(fù)載的作用點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸支承跨距中間，整體結(jié)構(gòu)緊湊，軸系受彎曲負(fù)荷相對小.示例如圖2所示，是美國MOOG公司為日本COMETS衛(wèi)星研制的天線驅(qū)動機(jī)構(gòu).驅(qū)動傳動方案也為“步進(jìn)電機(jī)+諧波齒輪”，負(fù)載可以達(dá)到 210kg，250kg·m2［2］.

圖2 日本COMETS衛(wèi)星天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)Fig.2 GDA for COMETS Satellite，Japan

三是懸臂支撐型.單軸輸出為單端連接，承受負(fù)載的作用點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸支承跨距之外，雙軸連接方式簡單，軸系承受彎曲負(fù)荷.示例如圖3所示，是美國MOOG公司55型雙軸驅(qū)動機(jī)構(gòu).其單軸驅(qū)動器基于銥星的太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動傳動方案是“2或3相步進(jìn)電機(jī)+諧波齒輪”.

圖3 美國MOOG公司55型雙軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)Fig.3 Bi-axis GDA from MOOG company，USA

通過三者之間的比較可知，框架型和對稱型的承載力系較為均衡，但轉(zhuǎn)角范圍受限制，而懸臂型自身能夠?qū)崿F(xiàn)360°轉(zhuǎn)動.三種構(gòu)型各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)衛(wèi)星的具體應(yīng)用需求確定最終選擇何種形式.

2.1.2 單軸驅(qū)動器設(shè)計

雙軸機(jī)構(gòu)的核心設(shè)計內(nèi)容是單軸驅(qū)動器設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)布局、驅(qū)動方式、傳動方式、測角方式以及機(jī)電熱接口等方面.

(1)結(jié)構(gòu)布局

單軸驅(qū)動器的基本構(gòu)成包括電機(jī)、支承軸系、減速器、測角傳感器、測溫器件以及結(jié)構(gòu)支承零件等，結(jié)合伺服控制電路可以形成一個完整的驅(qū)動傳動、測角的閉環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)，如圖4所示(其中實線框為驅(qū)動器組成部分).圖5是一種基于諧波傳動設(shè)計的單軸驅(qū)動器結(jié)構(gòu)框圖.

(2)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)在低速驅(qū)動控制中普遍應(yīng)用，可以獲得期望的通電/不通電時的定位保持力矩，這也是鏈路天線定位所需的優(yōu)點(diǎn)之一.步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)特性不利于實現(xiàn)高的運(yùn)動穩(wěn)定度，可以通過電路細(xì)分和機(jī)械減速的方法改善.通常步進(jìn)電機(jī)可以整步驅(qū)動或半步驅(qū)動，可以單拍運(yùn)行或雙拍運(yùn)行.單拍運(yùn)行時，繞組通電方式為一相斷電瞬時切換到另一相通電，變換較大易產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行穩(wěn)定性較差，所以宜采用雙拍運(yùn)行.

直流力矩電機(jī)因控制線路復(fù)雜且需要角度反饋而較少在低速控制中使用.

(3)諧波減速器的選擇

諧波減速器由剛輪、柔輪、波發(fā)生器組成，可以固定其中任何一個，另外兩個一個作為輸入一個作為輸出.通常較多選擇剛輪固定，波發(fā)生器輸入，柔輪輸出，這時減速比計算公式如下［3］:

式中:i為減速比，ZR為柔輪齒數(shù)，ZG為剛輪齒數(shù)，負(fù)號“－”表示反向輸出.

諧波減速器的扭轉(zhuǎn)剛度表現(xiàn)為非完全線性，工作負(fù)載在額定載荷的20%以內(nèi)時，剛度曲線為KA段，超過20%時，剛度曲線為KB段，如圖6所示.由于在低負(fù)載時扭轉(zhuǎn)剛度也較低，這和齒的嚙合間隙、柔輪的扭轉(zhuǎn)變形等都有關(guān)系，所以在低負(fù)載應(yīng)用時需要特別注意.

圖6 諧波減速器扭轉(zhuǎn)剛度曲線Fig.6 Twist stiffness curve of harmonic drive

(4)測角傳感器的選擇

常用測角傳感器有光柵、磁柵、圓感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器及電位計等多種形式.旋轉(zhuǎn)變壓器因具有精度較高、生產(chǎn)成本較低及耐惡劣環(huán)境性能強(qiáng)等綜合性能優(yōu)良的特點(diǎn)而被較多地選用.

旋轉(zhuǎn)變壓器的編碼處理方法主要有三類:直接數(shù)字轉(zhuǎn)換、鑒相法和跟蹤反饋法.跟蹤反饋法綜合性能最優(yōu)、應(yīng)用最廣，由正余弦乘法器、相敏解調(diào)器、濾波器、積分器、壓控振蕩器(VCO)和可逆計數(shù)器等主要環(huán)節(jié)組成一個數(shù)字伺服系統(tǒng)，機(jī)械角為輸入量，數(shù)字角為輸出量，使數(shù)字角跟蹤機(jī)械角.其工作原理如圖7所示.

(5)機(jī)電熱接口設(shè)計

接口設(shè)計需要與整星匹配，并需要特別關(guān)注的設(shè)計要點(diǎn)如下:

1)機(jī)械接口.除了使用足夠的螺釘、螺栓緊固以外，使用定位銷可以增加安裝精度和抗力學(xué)性能;在進(jìn)行天線壓緊時盡量減少對機(jī)構(gòu)增加額外的力.

2)電接口.包括天線轉(zhuǎn)動部分與星本體間的電連接和GDA自身的電連接，應(yīng)關(guān)注天線高、低頻信號傳輸對GDA測角信號的干擾影響.

3)熱接口.根據(jù)天線系統(tǒng)的熱狀況確定機(jī)械安裝界面的熱傳導(dǎo)方式以及機(jī)構(gòu)表面熱控涂層的參數(shù)，并考慮采用主動溫控措施以改善機(jī)構(gòu)的熱狀況.

圖7 跟蹤反饋型軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換原理框圖Fig.7 Block diagram of axis angle-digital transformation based on tracing feedback

2.2 主要關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 緊湊而輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊和輕量化可以采取模塊化設(shè)計和使用低密度、高強(qiáng)度的材料如鈦合金、鋁合金等，為保證軸承承載能力和疲勞壽命材料一般選用不銹軸承鋼.選材時應(yīng)注意材料膨脹系數(shù)不一致的結(jié)構(gòu)匹配性，特別是溫度變化對軸承預(yù)緊力及各結(jié)構(gòu)運(yùn)動間隙的影響.除此，還應(yīng)注重以下方面的設(shè)計實現(xiàn):

1)諧波傳動的柔輪輸出端的旋轉(zhuǎn)支承軸系應(yīng)具有足夠的抗彎、抗剪能力以及高的旋轉(zhuǎn)精度，減小或避免柔輪承受外部載荷彎矩、剪力等載荷.

2)波發(fā)生器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)安排調(diào)整環(huán)節(jié)以控制安裝深度.

3)軸系設(shè)計采用模塊化設(shè)計，并減少彼此間的支承干擾.

4)采用固體潤滑時避免磨屑對電機(jī)、測角器件的運(yùn)動產(chǎn)生影響.

5)電機(jī)和測角器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計需避免彼此間產(chǎn)生電磁干擾.

2.2.2 長壽命潤滑

包括潤滑劑選擇和潤滑部位處理兩方面.

采用流體潤滑劑可獲得較穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較小的摩擦噪聲，但工作溫度范圍窄，真空下蒸發(fā)損失制約著工作壽命.

采用固體潤滑劑應(yīng)用溫度范圍較寬，沒有蒸發(fā)損失問題，但存在潤滑膜磨損.固體潤滑裝置的摩擦磨損測試包括潤滑劑的標(biāo)準(zhǔn)化試驗和應(yīng)用試驗，后者是任何潤滑機(jī)構(gòu)都必須進(jìn)行的［5］.

還可以采用固液混合潤滑方式以綜合利用二者各自的優(yōu)點(diǎn)，但需注意潤滑劑間的兼容性，而且并不能因此而改善流體潤滑劑的溫度特性.

潤滑部位包括軸承和諧波減速器內(nèi)部的多個摩擦副.軸承內(nèi)部包括滾動體(球)與套圈溝道、滾動體與保持器以及保持器與內(nèi)外套圈擋邊等摩擦副.諧波減速器中包括柔性軸承內(nèi)部的摩擦副、剛輪與柔輪的齒嚙合摩擦副以及柔性軸承與柔輪間的摩擦副.軸承中的摩擦以滾動摩擦為主，而諧波傳動中以滑動摩擦為主.潤滑設(shè)計需保證所有的摩擦部位在全壽命階段能獲得充分的潤滑.

2.2.3 高精度指向

中繼衛(wèi)星星間鏈路天線具有天線口徑大、波束窄、指向精度高等特點(diǎn)，指向精度指標(biāo)是GDA的關(guān)鍵指標(biāo)，也是系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的一個難點(diǎn).系統(tǒng)指向誤差由天線饋電部分指向誤差和機(jī)械部分指向誤差兩個部分構(gòu)成，其中機(jī)械部分誤差由雙軸定位機(jī)構(gòu)指向誤差、結(jié)構(gòu)熱變形誤差、裝配誤差三個主要部分構(gòu)成［6］.為了保證指向精度，基于諧波傳動的GDA在設(shè)計中還應(yīng)關(guān)注如下因素:

1)諧波傳動減速器的傳動精度及空回:主要是由剛輪和柔輪的齒形誤差、周節(jié)誤差以及嚙合間隙引起的，還會受到潤滑方式的影響.尤其在選用固體潤滑方式時，由于潤滑劑存在磨損，應(yīng)考慮可靠傳動、充分潤滑和保證傳動精度等三者之間的匹配.

2)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度:包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度.機(jī)構(gòu)設(shè)計中一般由專門的軸系承受彎曲載荷，所以彎曲剛度不存在薄弱環(huán)節(jié).而選用諧波傳動方式，由于柔輪是必需的，所以這一柔性環(huán)節(jié)是不可避免的.適當(dāng)?shù)乜s短柔輪杯體長度或加大壁厚可以提高扭轉(zhuǎn)剛度.

3)星體連接支架、天線連接支架以及雙軸連接支架的結(jié)構(gòu)剛度;這需要協(xié)調(diào)支架重量與結(jié)構(gòu)剛度之間的關(guān)系，保證足夠的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，并實現(xiàn)輕量化.

3 長壽命驗證試驗方案

長壽命驗證的重點(diǎn)是諧波減速器的摩擦磨損狀況，包括磨損對傳動精度、空回的影響以及壽命末期傳動效率的變化.

采取固體潤滑方式的機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行加速壽命試驗.加速因子主要選擇提高運(yùn)轉(zhuǎn)速度以縮短試驗周期，另外還可以加大溫度范圍和負(fù)載扭矩以增加考核的嚴(yán)酷度.加速因子選擇的原則是不能改變驗證環(huán)節(jié)的失效機(jī)理.

壽命試驗應(yīng)在真空環(huán)境下進(jìn)行，機(jī)構(gòu)運(yùn)動方式應(yīng)參照在軌實際運(yùn)行的方式進(jìn)行，運(yùn)行壽命一般按在軌壽命加倍進(jìn)行，預(yù)計的循環(huán)數(shù)在1001～100000個循環(huán)的按2倍進(jìn)行，大于100000個循環(huán)的按1.25倍進(jìn)行［7］.

試驗過程中的主要監(jiān)測項目包括軸承、電機(jī)、旋變等的溫度，傳遞效率，負(fù)載力矩等.傳動精度、空回等測試項目一般在真空罐外采取光學(xué)或多齒分度臺的方法標(biāo)定，所以需要中斷試驗或試驗停止后進(jìn)行.試驗后進(jìn)行試驗機(jī)構(gòu)的解剖檢查和分析.

圖8是一種可施加扭矩負(fù)載的真空壽命試驗系統(tǒng)，可用于單軸驅(qū)動器壽命試驗.試驗設(shè)備主要包括真空罐、磁流體密封裝置、磁粉制動器、GDA驅(qū)動控制裝置、溫度測量裝置等.

圖8 一種可施加扭矩負(fù)載的真空壽命試驗系統(tǒng)Fig.8 Vacuum life test system with applied twist torque load

4 高精度捕獲跟蹤驗證試驗方案

可采用模擬天線指向控制回路的方式進(jìn)行試驗驗證.試驗系統(tǒng)包括 GDA單軸驅(qū)動器(GDAM)、GDA驅(qū)動線路(GDAE)、天線模擬負(fù)載、回路控制器、高精度測角裝置以及扭矩傳感器、力矩電機(jī)、卸載軸承等.通過該試驗可以測試、驗證GDA單軸驅(qū)動器帶模擬負(fù)載下的動力學(xué)特性，分析其對天線指向控制的影響，以及驗證天線指向控制方案等，并可以得到GDA的測角精度、控制精度、單步運(yùn)動響應(yīng)特性和驅(qū)動機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性模型.試驗系統(tǒng)框圖和原理框圖如圖9～10所示.

5 結(jié)論

本文分析星間鏈路天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)(GDA)設(shè)計的主要約束因素，闡述了基于諧波傳動的星間鏈路天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計的主要思路以及緊湊而輕量化的結(jié)構(gòu)布局、長壽命潤滑、高精度指向等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計要點(diǎn)，介紹了進(jìn)行長壽命和高精度捕獲跟蹤性能試驗驗證的方案，可供開展長壽命高精度天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計時參考.

［1］ 王典軍，曾海波，關(guān)軼峰.跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星控制系統(tǒng)技術(shù)［J］.航天控制，2005，23(3):83-90 Wang D J，Zeng H B，Guan Y F.Technique for control system of tracking and data delay satellites［J］.Aerospace Control，2005，23(3):83-90

［2］ 崔赪旻，王典軍.跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星間鏈路天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)技術(shù)綜述［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2010，36(5):32-37 Cui C M，Wang D J.Survey of gimbal drive assembly mechanism of inter-orbit link antenna for tracking and data relay satellites［J］.Aerospace Control and Application，2010，36(5):32-37

［3］ 李克美.諧波傳動的原理特點(diǎn)及應(yīng)用［J］.設(shè)備管理與維修，2006(8):29-30 Li K M.Principle features and application of harmonic drive［J］.Plant Maintenance Engineering，2006(8):29-30

［4］ 李克美.諧波傳動的原理特點(diǎn)及應(yīng)用(續(xù))［J］.設(shè)備管理與維修，2006(9):28-29 Li K M.Principle features and application of harmonic drive(continuous)［J］.Plant Maintenance Engineering，2006(9):28-29

［5］ Peter L C.Space vehicle mechanisms-elements of successful design［M］.John Wiley＆ Sons Inc.1997

［6］ 孫京，馬興瑞，于登云.星載天線雙軸定位機(jī)構(gòu)指向精度分析［J］.宇航學(xué)報，2007，28(3):545-550 Sun J，Ma X R，Yu D Y.Pointing accuracy analyses of a satellite two-axes antenna pointing mechanism［J］.Journal of Astronautics，2007，28(3):545-550

［7］ ECSS.ECSS-E-30 part 3A Space engineering mechanical-part 3:mechanisms［S］.ECSS-E-30 Part 3A ，2000