葉田園，龐賀偉，周元子，宗 紅，劉守文

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 航天機電產品環(huán)境可靠性試驗技術北京市重點實驗室；3. 中國空間技術研究院； 4. 北京控制工程研究所：北京 100094）

0 引言

當前天基天文觀測、高分辨率對地觀測等航天任務對航天器的控制精度提出了極高的要求。星上太陽電池陣的驅動、動量輪的轉動以及制冷機工作等引起的低頻振動和高頻抖動會嚴重影響衛(wèi)星的指向精度和穩(wěn)定度。為了保證激光通信設備、空間相機、太空望遠鏡等敏感設備的任務可靠性，必須為其提供超靜的工作環(huán)境，采用合理技術手段減小航天器外部振動及內部擾動向有效載荷的傳遞。在星體和載荷之間增加一級具備振動隔離和精確指向能力控制系統(tǒng)的多級復合控制方案被認為是一項“多贏”的技術。自20 世紀90 年代以來，國外便開始了該方案技術的研究，研制出一種具有高精度指向并能消除振動噪聲的有效載荷控制平臺，稱為“超靜平臺”。其中，作動器是關鍵核心部件，決定了超靜平臺的性能、可靠性和使用壽命。系統(tǒng)地研究作動器在航天器超靜平臺上的應用及發(fā)展，并提煉相關的關鍵技術，對推動高精度高穩(wěn)定度航天器的發(fā)展至關重要。

本文對現(xiàn)有的航天器超靜平臺作動器進行綜述，分析其主要技術特點和發(fā)展現(xiàn)狀，并針對其在軌應用涉及的關鍵技術進行分析，并對今后研究方向提出建議，旨在為我國航天器超靜平臺的發(fā)展提供支撐。

1 國內外研究概況

自20 世紀90 年代，超靜平臺作動器就作為航天器精密光學載荷的驅動執(zhí)行及支撐部件被研究并逐步開展空間應用，如美國Honeywell、CSA 等公司，以及一些大學和研究機構相繼進行了大量的理論研究、地面試驗驗證及在軌試驗。典型的航天器超靜平臺系統(tǒng)采用多個并聯(lián)的作動器構成Stewart 平臺，如圖1 所示。超靜平臺作動器需能穩(wěn)定且精確地輸出控制所需的力和位移，并具備減/隔振功能。

圖1 超靜平臺結構示意[1]Fig. 1 Schematic diagram of ultra-quiet platform[1]

航天器超靜平臺作動器由驅動源部件、隔振部件、測量部件及結構部件等組成。超靜平臺控制器根據(jù)作動器檢測的反饋調節(jié)控制參數(shù)對振動進行抑制和補償，通過驅動部件輸出力和位移實現(xiàn)對結構振動的主動控制或精確指向功能，并結合隔振部件構成主被動一體化減/隔振系統(tǒng)，最終實現(xiàn)多自由度微振動全頻帶隔離及精確指向定位功能。從驅動部件的類型來看，航天器超靜平臺作動器主要分為智能材料驅動和電磁驅動2 種。

1.1 智能材料作動器

智能材料撓性作動器一般采用壓電陶瓷或磁致伸縮部件作為驅動部件，其特點為定位精度高且動態(tài)響應性能好，振動控制效果好，但一般作動行程較小，不具備較大范圍的精確指向功能。

CSA 公司在2000 年研制出基于壓電作動器的衛(wèi)星超靜隔離技術試驗（Satellite Ultraquiet Isolation Technology Experiment, SUITE）系統(tǒng)，用于驗證空間敏感有效載荷的減振效果。SUITE 由6 個壓電驅動作動器組成六桿裝配組件（Hexapod assembly,HXA）Stewart 平臺結構（如圖2 所示）。

圖2 SUITE 作動器及其結構[10]Fig. 2 SUITE actuator and its structure[10]

SUTE 作動器的被動隔振部件是一個阻尼式柔性元件，能夠實現(xiàn)大約20 Hz 以上的中高頻隔振。其柔性元件設計是“三明治”式的，由內到外分別為鈹銅層、黏彈性材料層和鈹銅約束層。HXA 作動器行程達到±15 μm，角度調節(jié)范圍±1.25 μrad。2001 年9 月，在美國空軍“空間試驗計劃”（STP）的資助下，SUITE 搭載PICOSat 航天器開展了飛行試驗，其質量占航天器總質量的25%。

2002 年，Honeywell 公司與美國空軍研究實驗室（AFRL）共同研制了能與不同航天器平臺適配的微型隔振系統(tǒng)（Miniaturized Vibration Isolation System-II, MVIS-II）。其作動器由Honeywell 的D-Strut與液壓放大的壓電作動器串聯(lián)構成。DStrut采用了錐形環(huán)面調節(jié)環(huán)流間隙的方案，如圖3 所示，可在頻率范圍0.1～10 Hz 根據(jù)共振峰要求進行阻尼調節(jié)，可根據(jù)內置黏性阻尼流體壓力的變化，實時調節(jié)被動部件中的流體壓力，達到主被動混合隔振的設計目標。

圖3 D-StrutTM 結構示意（總長5 inch）[5]Fig. 3 Schematic diagram of D-StrutTM, with overall length of 5 inch[5]

MVIS-II 作動器（見圖4）行程達到0.076 2 mm，與原始的D-Strut 相比，作動器尺寸減小了90%、質量減小了91% 。MVIS-II 于2006 年12 月搭載于戰(zhàn)術星TacSat-2 發(fā)射。

圖4 MVIS-II 作動器及其結構[12]Fig. 4 MVIS-II actuator and its structure[12]

此外，CSA 公司的UQP 平臺、比利時布魯塞爾自由大學（ULB）的SSP 平臺，以及我國的哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院等研究的天基Stewart平臺隔振系統(tǒng)均采用了壓電陶瓷撓性作動器。

相對于壓電陶瓷材料，磁致伸縮材料具有能量轉換效率高、彈性模量隨磁場變化可調控、響應時間短、應變大且應變時輸出力大、工作頻帶寬等優(yōu)點。北京航空航天大學研制的磁致伸縮作動器（如圖5 所示）采用了目前最為常見的磁致伸縮材料三元稀土合金TbDyFe，作動器內部磁場隨著線圈電流發(fā)生變化，通過TbDyFe 芯棒形變控制輸出位移和輸出力。該作動器雙向輸出行程±35 μm，共振頻率激勵下振動衰減達30 dB。

圖5 北航研制的磁致伸縮作動器及其結構[18]Fig. 5 Themagnetostrictive actuator developed by Beihang Universityand its structure[18]

此外，美國IAI 公司的HAVI 平臺以及德雷珀實驗室、哈里斯公司、瑞士電子及微技術中心等機構研制的隔振平臺均采用了相應的磁致伸縮作動器。

1.2 電磁驅動作動器

Honeywell 公司在1999 年研制了振動隔離和抑制系統(tǒng)（Vibration Isolation and Suppression System,VISS），以控制星上制冷機對紅外望遠鏡的擾動。如圖6 所示，VISS 由6 個混合式隔振作動器實現(xiàn)系統(tǒng)六自由度的被動隔振、主動抑振及精確指向。被動部分采用Honeywell 公司已飛行驗證的D-Strut部件，頻率為2～5 Hz，主要提供中高頻段的振動隔離。主動部分采用與被動系統(tǒng)并聯(lián)的音圈電機實現(xiàn)低頻部分的主動振動控制。VISS 作動器輸出力9.8 N，行程±1 mm，功率3.5 W，質量1.13 kg，尺寸101 mm×127 mm×203 mm。VISS 系統(tǒng)搭載在TSX-5 衛(wèi)星上于2000 年4 月發(fā)射。

圖6 VISS 作動器及其結構[24]Fig. 6 The VISS actuator and its structure[24]

2007 年，Honeywell 公司以面向質量在百千kg級的大型有效載荷，實現(xiàn)航天器敏感有效載荷低共振拐點頻率隔振及有效載荷平臺抑振為研制目標，設計了隔振、指向、抑制（Isolation, Pointing, and Suppression, IPS）系統(tǒng)。IPS 作動器（如圖7 所示）的硬件很大程度延續(xù)了VISS 的設計，仍采用主動音圈作動器并聯(lián)D-Strut部件的結構，但是不同之處在于IPS 的主動部分采用了兩級音圈設計。主線圈的數(shù)量多、尺寸大，用于提供大幅值“粗糙”驅動的輸入；二級線圈將主線圈的噪聲降低到允許的范圍內。此外，二級線圈也能夠獨立完成小幅值力的輸出。IPS 作動器最大輸出力338 N，行程±0.25 mm，功率＜300 W，質量＜15.9 kg，總長度660 mm。

圖7 IPS 作動器及其結構[25]Fig. 7 The IPS actuator and its structure[25]

APSI（Active/Passive Spacecraft Isolator）是諾斯羅普–格魯曼公司為ACCESS 衛(wèi)星Hexapod 望遠鏡研制的隔振指向平臺，其主要功能是通過被動隔振抑制高頻抖動、主動隔振實現(xiàn)中頻衰減、指向控制實現(xiàn)低頻域精確指向。如圖8 所示，APSI 平臺采用音圈作動器，峰值作動力127 N，行程±7 mm，可實現(xiàn)有效載荷±4°的指向調節(jié)。

圖8 APSI 作動器及其結構[26]Fig. 8 The APSI actuator and its structure[26]

比利時自由大學（ULB）研制了一種撓性隔振平臺（如圖9 所示），作動器采用音頻線圈主動驅動方式，通過無間隙的柔性鉸鏈與上平臺實現(xiàn)軟連接，并由力傳感器實時測量輸出力。該作動器行程±0.7 mm，最大輸出力2.7 N。

圖9 ULB 的作動器及其結構[27]Fig. 9 The actuator developed by ULB and its structure[27]

Hood Technology 公司和華盛頓大學（UW）針對噴氣推進實驗室（JPL）的未來天基干涉儀SIM 項目研制了指向隔振平臺（如圖10 所示）。該平臺作動器通過膜片彈簧的軸向撓度實現(xiàn)基頻3 Hz，作動器驅動行程達到10 mm，相比其他隔振機構的行程增加了1 個數(shù)量級，基于大行程、大氣隙的音圈作動器實現(xiàn)大角度指向和振動抑制。

圖10 HT/UW 的指向隔振平臺作動器及其結構[28]Fig. 10 The actuator developed by HT/UW and its structure[28]

1.3 小結

傳統(tǒng)的被動隔振結構簡單且不需要提供外部能源，但是在低頻段，當外部擾動頻率接近隔振器固有頻率時，會產生較大的諧振峰，擾動被放大。主動隔振具有更好的隔振性能，但是在帶寬和能耗方面存在一定的局限性。航天器超靜平臺作動器采用主被動混合隔振的方案，一方面通過主動控制降低被動隔振的諧振峰，而不是以損失高頻隔振性能為代價來一味增大阻尼，可合理有效地提升系統(tǒng)的低頻隔振性能；另一方面可以在高頻段充分發(fā)揮被動隔振的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)全頻段有效隔振，兼顧隔振效果和系統(tǒng)能耗。

作動器主動部分的種類很多，如表1 所示，目前針對航天器超靜平臺應用較多的主要為音圈電機作動器和壓電陶瓷作動器。音圈電機作動器行程較大，可達到mm 級，但存在能量密度小以及可能帶來電磁兼容性和高熱耗等問題。壓電陶瓷作動器具有剛度大、頻帶寬等優(yōu)勢，但行程較小，輸出位移大多為數(shù)十μm 級。具體應用還需結合航天器型號任務特點，選擇行程范圍、輸出力等性能指標更貼合任務需求的作動器。

表1 典型超靜平臺作動器匯總Table 1 Types of actuators for ultra-quiet platform

航天器超靜平臺作動器內部引入被動隔振部件，通過自身的儲能或耗能將振動帶來的機械能轉化為其他形式的能量，從而起到振動隔離的作用。針對航天器結構和任務特點的不同，被動隔振部件的構型復雜多樣，一般采用流體阻尼、黏彈材料、撓性體或它們的組合構成。其工作原理主要有以下2 種：1）增加作動器內部結構的阻尼，也就是在作動器內部附加黏彈材料或并聯(lián)黏性流體等其他形式的阻尼器，以抑制傳遞到有效載荷的振動能量；2）降低作動器特定方向的剛度，采用金屬彈簧、橡膠等支撐的彈性元件撓性體，代替原結構或與原結構串聯(lián)。

2 關鍵技術分析

超靜平臺作動器的關鍵技術涉及作動器各部件設計、研制與驗證等技術，滿足超靜平臺在軌工作所需的行程、輸出力、功耗、質量和壽命等關鍵設計指標，主要可概括為高效率音圈電機技術、長壽命撓性元件技術，另外在地面對設計指標及功能性能進行驗證還涉及地面試驗驗證技術。

2.1 高效率音圈電機技術

音圈電機是直流電機的一種，由永磁體、線圈及鐵芯等部件組成，具有結構簡單、響應快、精度高、線性好等優(yōu)點。

音圈電機可實現(xiàn)電功率到線性力的轉換，并獨立地或結合柔性元件實現(xiàn)作動器直線位移輸出。其輸出的控制力最終將實現(xiàn)超靜平臺的主動抑振和指向調節(jié)，因此電機需滿足超靜平臺所需的控制力、位移和精度要求。應用于航天器超靜平臺的音圈電機需具備以下特點：

1）輕量化。為保證快速響應特性，需要在滿足力電性能的前提下盡可能減少音圈電機運動部分的質量及慣量。

2）低功耗。音圈電機安裝在作動器內部，在軌工作時的散熱環(huán)境較差，因此需盡量提高電機能效，減小所需的電流，降低作動器主動控制工作的熱耗。

3）大間隙。作動器主動控制工作模式下，可能發(fā)生多個自由度耦合運動，這就要求音圈電機內部間隙足夠大，以避免發(fā)生碰撞摩擦。

根據(jù)安培力原理，動子電磁力為=×××，式中：為線圈匝數(shù)；為工作氣隙中的磁感應強度，T；為導線中通入的電流，A；為單根導線的有效長度，m。由此可見，輕量化、低功耗、大氣隙的要求與實現(xiàn)高力系數(shù)、高效率之間的矛盾是音圈電機應用于航天器超靜平臺作動器的主要技術難點。

音圈電機典型的應用領域有光學系統(tǒng)、半導體設備、振動控制、直線壓縮機和控制閥，以及機械加工等方面。音圈電機按磁路結構的不同可分為內磁型和外磁型、軸向型和徑向型、短氣隙型和長氣隙型；根據(jù)運動部件、彈性元件和線圈形狀的差別，可分為動圈型和動磁型、MF 型和MFK 型、圓筒型方塊型和平板型。音圈電機的設計通?？捎墒褂梅礁鶕?jù)規(guī)格要求自行設計和制造。一方面，采用盡可能少的永磁體研制高磁通密度的均勻氣隙磁場；另一方面，在滿足性能指標的條件下，盡量減小電機的體積和質量，最終達到提高能量轉換效率和快速響應能力的目的。在控制方面，由于不同音圈電機的結構差異以及性能要求不同，所以必須采用相應靈活的控制策略，以獲得良好的控制效果。面向超靜平臺應用場合，需不斷開展大動力、高效率和低功耗音圈電機的技術攻關，使其在力、熱等方面具有更好的適應性，提高超靜平臺作動器的主動控制能力。

2.2 長壽命撓性元件技術

作為超靜平臺作動器內部的彈性支承，撓性元件需要在綜合實現(xiàn)低剛度、大變形和低應力的同時，適應空間應用復雜工況（發(fā)射振動、冷熱交變和不間斷工作）。

撓性元件是作動器內部承受在軌長壽命工作應力的核心部件，它的運動壽命直接決定了作動器乃至超靜平臺的壽命，因此對撓性元件的材料選擇要綜合考慮材料的彈性模量、強度、硬度、泊松比等力學性能，密度、導電性等物理性能，以及成本和加工工藝等因素，如：1）密度低、彈性模量高、彈性極限大，以提高非隔振方向的剛度；2）熱膨脹系數(shù)小以減小熱變形；3）疲勞極限高以保證在軌長壽命。

鈹青銅因具有較高的屈服強度、非磁性以及較低的加工殘余應力而被多數(shù)研究機構選用為撓性元件的材料。同時隨著智能材料的發(fā)展，也有學者提出將智能結構中的功能材料特性引入作動器撓性元件設計，使作動器的剛度可根據(jù)所承受的載荷做出調整，這也是航天器超靜平臺作動器后續(xù)發(fā)展的重要方向。

作動器內部撓性元件的結構特性應滿足以下條件：1）較低的主隔振方向剛度，以實現(xiàn)合適的拐點頻率；2）轉動剛度最小化以減小額外的扭矩；3）較高的橫向和扭轉剛度以消除作動器的剪切和扭轉變形。ULB 作動器選用的不同構型膜片彈簧撓性元件如圖11 所示，針對每種構型進行了有限元分析和形狀結構參數(shù)優(yōu)化，從而使撓性元件在所需行程下具有最優(yōu)的應力分布。

圖11 不同構型的撓性元件[27]Fig. 11 Flexible components of various configurations[27]

撓性元件是決定超靜平臺作動器壽命的關鍵部件，其精確壽命分析具有重要意義。撓性元件的失效模式主要有兩種：一是在循環(huán)載荷作用下，其缺口處會出現(xiàn)應力集中，而應力集中處容易發(fā)生疲勞失效，因此疲勞是超靜平臺作動器撓性元件的重要失效模式；二是其在軌運行期間會承受隨時間變化的載荷，進而產生損傷并逐漸累積，引起材料的性能退化，導致裂紋萌生、擴展直至斷裂失效。當前用于疲勞壽命分析的主流方法為名義應力法、局部應力應變法、能量法、臨界面法和損傷容限法等，其中：名義應力法根據(jù)材料性能、載荷譜以及應力集中部位的應力集中系數(shù)確定疲勞壽命，適用于高周疲勞；局部應力應變法的關鍵在于獲取應力集中部位的局部應力應變譜，一般用于低周疲勞；能量法和臨界面法可從不同角度對元件的多軸疲勞壽命進行預測；損傷容限法則是基于斷裂力學確定載荷譜中各級載荷造成的裂紋擴展速度。

開展作動器及其撓性元件的精確壽命分析需要進一步加強對超靜平臺及其作動器工況載荷的研究，通過統(tǒng)計各個工況的載荷數(shù)據(jù)，根據(jù)撓性元件材料屬性和結構特點選取對應的疲勞壽命分析方法，在測試和診斷等大量數(shù)據(jù)信息的基礎上，涵蓋理論分析、仿真計算和試驗驗證，在獲取撓性元件的壽命預測值的基礎上，進一步實現(xiàn)對超靜平臺作動器壽命的精確分析。

2.3 地面試驗驗證技術

隔振控制地面驗證試驗是驗證超靜平臺作動器設計的合理性與可行性、隔振控制方案正確性并評價其隔振性能的必要途徑。超靜平臺作動器需要經歷地面儲存環(huán)境，發(fā)射段的力學環(huán)境，在軌工作時的失重、真空及溫度交變等環(huán)境，使用時還要充分考慮質量、機械接口、熱接口等其他因素。因此，為了確保作動器在軌能夠正常工作，需要開展大量的地面驗證試驗，包括功能性能試驗、壽命試驗、熱真空試驗及振動試驗等。國外不同研究機構為進行超靜平臺作動器功能性能的驗證開展了相應的隔振控制試驗，通過激振器對作動器施加振動激勵，測量關鍵位置的響應，比較上下端的頻率響應特性變化，以評價作動器隔振效果。

Honeywell 公司D-Strut作動器開展單軸隔振試驗時（如圖12 所示）由激振器提供干擾力，激振器通過柔性元件連接到約30 kg 的剛體質量塊（模擬有效載荷的質量），剛體質量塊與被測作動器連接后再經由柔性元件連接到安裝墻面。所有部件沿垂直重力方向吊裝在天花板上，并由2 個測力傳感器分別測量輸入的擾動力和傳遞到墻體的力，驗證作動器傳遞率。

圖12 D-Strut 機構單軸振動隔離試驗示意[5]Fig. 12 Experiment setup for force isolation of D-Strut[5]

IPS 試驗系統(tǒng)如圖13 所示，安裝于獨立的混凝土板上，與建筑物地基的其余部分分離。試驗系統(tǒng)基本質量為1 329.03 kg，負載質量2 413.11 kg，2 個質量塊均由單軸空氣軸承從下方支撐，可以認為在水平方向無摩擦運動。基本質量塊與電動激振器相連，IPS 支桿沿水平方向安裝在基本質量塊和有效載荷質量塊之間。激振器和隔振機構上安裝測力傳感器，質量塊之間安裝雙間隙傳感器，在質量塊上安裝三軸加速度計對機構隔振性能進行試驗驗證。

圖13 IPS 試驗臺[25]Fig. 13 Experiment setup for force isolation of IPS actuator[25]

在對超靜平臺作動器進行地面試驗驗證的過程中涉及的模擬試驗方法主要有：

1）微重力模擬方法。將待測作動器、激振器、有效載荷模擬質量塊、撓性元件等部件懸掛起吊或安裝于氣浮平臺上，并保證所有部件的中心在同一水平線上，以實現(xiàn)對在軌微重力環(huán)境的模擬。

2）激振控制模擬方法。為了模擬超靜平臺在軌的各類工況，隔振控制試驗中需要采用高精度、低噪聲、超低頻激振器來施加激勵信號，同時需要建造特殊的實驗室環(huán)境以隔離外界環(huán)境的干擾。

3）多應力綜合模擬方法。為了更加充分考核作動器的在軌工作性能，可以考慮在空間環(huán)境模擬設備中集成微重力和激振控制的模擬裝置，以實現(xiàn)綜合環(huán)境下的性能驗證。

3 總結與展望

隨著航天器功能越來越復雜，精度和穩(wěn)定度要求越來越高，對航天器及其有效載荷的精穩(wěn)控制和減振/隔振需求也越來越迫切。適用于搭載精密光學設備等有效載荷的超靜平臺的應用使航天器具備了指向精度高、隔振抑振效果好、穩(wěn)定度高等優(yōu)勢。本文分析總結了航天器超靜平臺作動器的研究現(xiàn)狀及關鍵技術，建議今后在以下幾個方面開展深入研究：

1）結構構型方面，堅持組合化、模塊化思路，基于主動控制和被動隔振功能模塊，開發(fā)不同構型的作動器，為超靜平臺提供更寬泛的功能化選擇。

2）驅動部件方面，發(fā)展大動力、高效率、低功耗音圈電機技術，使其在力、熱等方面具有更好的適應性；對于壓電作動器，在發(fā)揮其高精度優(yōu)勢的同時，研究拓展行程范圍、提高動態(tài)特性的結構設計和驅動控制方法。

3）隔振部件方面，考慮發(fā)展綜合多種不同形式的高性能減隔振模塊，提高作動器的中高頻隔振性能，同時解決主動控制的自主適應問題。

4）可靠性方面，從材料、結構、熱控設計、疲勞減緩等方面開展研究攻關，以滿足不同載荷、不同激勵下的多自由度隔振及長壽命工作要求。

5）試驗驗證方面，針對撓性作動器開展地面試驗驗證中要模擬在軌微重力環(huán)境，通過各種方式抵消重力的影響，多采用懸吊或氣浮方式，但重力卸載對結構帶來的模態(tài)影響還需進一步研究，且模擬微重力、超低頻振動控制等關鍵技術還需要突破。