空間環境下的微特電機設計特點

俞 瑜,宋 偉,葉振東,杜婉婷,盛文杰

(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

隨著人類邁入太空時代,各類航天器與我們日常生活關系日趨密切。無論是環境觀測、氣象觀測,全球通訊廣播、電視轉播及地理定位的數據通信和信號轉播等衛星,還是空間試驗的極軌道、共軌道、靜止及載人空間站,載有哈勃望遠鏡等觀測設備的軌道天文臺,往返天際與地球間運輸的宇宙飛船和軌道間輸送機等,這些航天器已經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、海洋等觀測遙感衛星,通信廣播和導航衛星,載人航天器等。

航天器運動機構應用了需要完成多種功能要求的各類微特電機。例如:電池陣列展開驅動用電機與齒輪減速組件,天線展開驅動和方向調整用電機與齒輪減速機構,觀測用光學相機、光電望遠鏡的掃描驅動與方向調整用電機與齒輪減速裝置,空間機械臂運動用電機組件,用于控制姿態的飛輪旋轉無刷直流電機組件等。一個航天器中一般需要使用多臺電動機,例如:日本試驗衛星(Japan Experiment Module,JEM)就使用了幾十臺電機組件裝置。而這些運動機構中的電機也是航天器最終功能實現的關鍵。目前高可靠性運動機構主要采用有源驅動,即采用電機作為系統驅動源,并根據系統對運動控制精度的不同要求,分別采用開環和閉環控制[1]。

航天器在外層空間飛行時所處的環境條件稱為空間環境,它對航天器的運動和系統的工作有著明顯的影響。空間環境中存在空間輻射、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;同時還有正弦振動、隨機振動和沖擊等力學環境要求。這使得其空間環境用微特電機的設計方法與地面用微特電機有很大的區別[2]。

1 空間環境下微特電機的典型應用

目前各類航天器中均裝備發射及接收天線、太陽能電池陣列、觀測或探測器件、姿態控制、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。以微特電機組件作為驅動源,航天器用電機組件一般包括:主驅動電機、減速裝置、制動器、角度位置或速度傳感器以及驅動控制電路等部分。主驅動電機可選擇的類型為無刷直流電動機、步進電動機、永磁交流伺服電動機等,減速裝置可選擇蝸輪蝸桿、諧波齒輪、小模數行星齒輪等形式,其他部分則根據對載荷系統要求進行不同的配置方案,并籍以達到系統功能和控制精度。例如:針對太陽能電池陣列的旋轉運動轉速低并且控制精度要求不高,可以選擇步進電動機、齒輪對減速結構及開環驅動控制;簡單、可靠,是目前應用較普遍的一種類型。但當天線方向調整、望遠鏡驅動等載荷系統的旋轉運動要求大轉矩、較高位置定位和控制精度時,則需要采用無刷直流電動機、高精度減速裝置和角度位置編碼器進行閉環驅動控制;這種高精度無刷直流電動機組件方案也是新型載荷系統的旋轉運動驅動控制的發展方向。目前微特電機在航天器中典型應用實例如下:

1.1 天線展開機構

如圖1所示,航天器進入太空至預定的軌道運行,即要收發各類信息,此時信息發送、接收天線應自動按設定程序展開并伸出航天器。其旋轉運動機構一般采用混合式步進電動機、齒輪減速組件,電機通過減速帶動長絲桿緩慢旋轉,使與絲桿配套的特制螺母帶負載作直線運動,從而將天線向外展開。天線展開機構用電機組件的性能指標和可靠性直接影響天線的展開,也影響航天器數據交匯通訊的質量。

圖1 航天器用微特電機圖釋

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行的電能源。航天器發射過程中,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。至預定軌道后,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和自轉、自身的調整等,導致展開的帆板朝向變化;為此需有旋轉運動機構,使帆板朝向作緩慢旋轉運動,通過控制指令,調節帆板朝向姿態至朝陽。在這種旋轉運動機構中,一般采用混合式步進電動機、齒輪減速組件,驅動電池陣列帆板轉動。

1.3 光學相機、光電望遠鏡探測系統

目前各類航天器裝備光學相機、光電望遠鏡探測系統。這類載荷系統通過光學和電荷耦合(CCD)原理,以光學方式將動態探測物成像后處理轉換成電信號,再編碼經專用芯片可數字通信傳輸并成像。例如:紅外多光譜探測器以探測物的紅外輻射量轉換成電量,再編碼等專業技術處理,直接數字化成像。這些光學與光電探測系統,雖其工作原理不盡相同,但其中均含有光學調整、轉動掃描機構,需要用電機組件來驅動完成調焦、擺動鏡片等運動。通常低精度旋轉運動機構采用開環驅動控制步進電動機、減速齒輪組件;高精度旋轉運動機構則采用閉環驅動控制無刷直流電動機、減速和角度位置編碼器組件。亦即航天器的探測系統好似“人眼”,而電機組件則是睜眼的關鍵。

1.4 機械式消旋平臺

航天器進入太空至預定的軌道運行,要求航天器上的天線射束指向地球,使星地之間信息數據有效傳送。由于航天器要繞地球公轉和自轉以及自身的調整,天線射束指向發生變化;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。其機械式消旋平臺有驅動源為電機組件的運動機構,一般采用混合式步進電動機、齒輪減速組件。工作原理為:控制器啟動步進電動機達到規定轉速,轉換到電路鎖相狀態即PLL模式,天線射束未準確對準地球目標時,通過鎖相電路驅動控制電機旋轉,直至天線射束被調整到指向所需的地球目標。

2 空間環境下的微特電機設計特點

通過以上的幾個典型應用介紹,我們可以發現空間環境下的微特電機的應用前景是廣闊的。空間環境的特殊性使得空間環境下的微特電機應用技術主要側重于可靠性技術。隨著航天技術的發展,各類航天器的設計壽命不斷提高,從2年提高至15年。除了載人航天器及可回收衛星外,其他航天器發生了故障一般不進行修理,即便可修理,費用也十分高昂。因此工作期間一般不允許發生故障,對航天器用微特電機也提出了高可靠性的要求。

2.1 材料選擇

空間環境下的微特電機設計時首先是材料的選擇:第一,空間環境用微特電機必須使用逸出氣體少的材料。根據日本宇宙開發事業團(NASDA)規定,表征材料逸出氣體量的指標主要有以下兩個:即TML(質量損失比)不大于1%、CVCM(再凝縮物質量比)不大于0.1%,原則上滿足上述指標的材料才可以使用[1];第二,需要使用熱傳導性能好,對溫度周期變化產生的溫度應力的適應能力強,可適用溫度范圍為-55℃～+125℃的材料;第三,在宇宙射線的照射下,有機材料的性能將逐漸變壞,應選用耐輻照材料。

2.2 結構設計技術研究

空間環境下的微特電機有體積小、重量輕、性能高、可靠性好,壽命長等,結構形變對性能下降甚至失效的影響極大。從步進電動機結構來說,其定子結構比較復雜,由鐵心、線圈、機殼、端蓋等組成,既要支撐軸承,還要支撐轉子,所以其在溫度和機械應力作用下長期穩定工作至關重要。因此特殊環境條件下材料變形及其機械尺寸的變化對航天器用微特電機性能的影響有待進一步研究。

2.3 熱設計技術研究

真空環境中電機損耗產生熱量及機械摩擦產生熱量的散熱方式只能是熱傳導和熱輻射兩種,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工作穩定性影響很大。溫度梯度嚴重影響時甚至將導致電機工作失效,因此需要模擬真空環境對航天器用微特電機進行仿真試驗。

2.4 軸承潤滑技術研究

軸承是保證空間環境下的微特電機運行可靠的關鍵,而軸承潤滑方式則是重中之重。根據以往經驗,軸承的失效大多是由于安裝不當或是潤滑技術不佳所致,因此首先要保證軸承結構及尺寸精度,其次選擇合適的潤滑方式,同時還與電機的軸承工作與安裝結構設計、運行方式等技術有關。目前短時、低速工作狀態航天器用微特電機的軸承普遍采用固體潤滑,但該技術仍不太完善,在高速、長壽命應用場合,如何保證長壽命要求仍是一大難題。

2.5 總裝工藝技術研究

根據以往的經驗,產品總裝工藝也是能否長期正常工作的關鍵之一。需要研究合理的總裝工藝,開發專用總裝設備和定位工裝夾具,以獲得較高的裝配精度,最大限度地減小空載損耗。

2.6 開展極限溫度下產品研究

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

3 結 語

隨著宇航事業高速發展,促使空間環境用微特電機向著結構小型化、控制數字化、功能組件化、長壽命高可靠方向發展。高精度開環驅動控制步進電動機、齒輪減速組件,旋轉變壓器、周軸角編碼組件和進行閉環驅動控制無刷直流電動機、減速裝置和角度位置編碼器、制動器組件一體化產品是空間環境用微特電機的發展方向。

[1] 海老原大樹.電動機技術實用手冊[M].北京:科學出版社,2006:940-943.

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