空間紅外遙感器定標機構故障應急退出裝置

賈慧麗，趙 鑫，于婷婷

(1.北京空間機電研究所，北京 100094；2.北華航天工業學院 機電工程學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

衛星或航天器搭載的定標機構的工作原理是通過驅動機構帶動漫反射板，使得太陽光反射進入光路，進而實現可見光和近紅外短波紅外譜段的譜段標定[1-2]。在軌進行定標過程中，電機或控制電路故障會造成漫反射板無法正常轉回初始位置，進而遮擋成像光路，最終導致整個成像系統失效。因此，在工程實現上，需要設計應急退出裝置，避免定標機構故障情況下相機成像系統失效。

傳統的星載定標機構中的鎖定與解鎖復位結構包括機械鎖和電磁鐵裝置。機械鎖通過步進電機驅動凸輪轉動。凸輪推動一端帶有頂尖的伸縮桿。凸輪在高點時，頂尖與活動部件接觸以實現鎖定；凸輪在低點時，頂尖與活動部件分離以實現解鎖。鎖定和解鎖過程均需給電機通電。電磁吸合裝置通過加電時產生的磁力將活動部件上的鐵塊吸住以實現鎖定，兩者不直接接觸，之間存在一定間隙，斷電后磁力消失以實現解鎖。機械鎖和電磁鐵裝置體積較大、質量較重，需要使用電機、電磁鐵等驅動設備，可靠性受到影響。

記憶合金由于其特殊的形狀記憶功能，常被用于驅動器中[3]。目前，國內外已利用記憶合金驅動力大的特點設計了多種鎖定與解鎖機構[4-10]。但由于受空間和記憶合金收縮率的限制，驅動的位移量有限，記憶合金在機構齒輪副分離方面的應用未見報道。

本文結合我國某型號遙感器定標機構的故障應急需求，設計了一種基于記憶合金的退出裝置。研制產品通過了環境試驗，其功能和性能得到了充分驗證。該裝置具有很大的工程應用潛力，為航天器機構的故障應急提供了一種新方式。

1 方案設計

應急退出裝置主要由記憶合金組件和卷簧組件2部分構成，如圖1所示。記憶合金組件由記憶合金棒、加熱棒、杠桿、齒輪拖出夾和支撐座構成，用于驅動齒輪退出嚙合系統；卷簧組件由卷簧軸和卷簧組成，用于帶動負載復位。

圖1 應急退出裝置結構Fig.1 Structure of emergency exit device

1.1 結構設計

為使退出裝置在有限空間內實現齒輪拖出和機構復位的功能，保證退出的可靠性，在結構設計中采取以下措施：

1) 將記憶合金棒設計為中空，在內部封裝加熱棒，作為驅動源。為保證記憶合金棒受熱后收縮順暢，在支撐座內孔四周安裝聚酰亞胺薄片滑塊，以減小運動時產生的摩擦力。

2) 為保證主動齒輪完全被拖出嚙合系統，需要將記憶合金的收縮位移通過杠桿組件放大4倍。將記憶合金組件與齒輪拖出夾分別安裝在杠桿轉動臂的兩端。在轉動臂兩端設計腰形孔，以保證轉動行程，如圖2所示。對轉動臂做整體防冷焊處理。

圖2 杠桿轉動腰形孔設計原理圖(mm)Fig.2 Design of lever waist hole(mm)

3) 為保證主動齒輪拖出自如，且滿足強度要求，主動齒輪選用鈦合金材料，表面濺射MoS2固體潤滑防冷焊膜。主動齒輪與齒輪分離軸通過一長鍵連接，該長鍵既可用于力矩傳遞，又可作為齒輪拖出行程的導向。

4) 卷簧作為齒輪分離后的復位驅動源，在安裝前需進行預緊。齒輪分離后，卷簧預緊力克服負載阻力矩，將漫反射板帶回初始位，以避免遮擋光路。為防止卷簧圈間真空冷焊，在表面涂覆MoS2防冷焊涂層。

1.2 工作原理

在完成地面測試和衛星入軌后，紅外光學遙感器在每次對地成像時都需要進行定標。此時，電機通過二級減速裝置帶動漫反射板繞轉動軸旋轉一定角度，到達定標位置。

當電機或控制電路出現故障，導致漫反射板遮擋光路，需要啟動應急退出模式時，對加熱棒通電一定時間。當加熱棒溫度升高到80 ℃以上時，通過熱傳導，記憶合金棒達到相變溫度并恢復到記憶的原始形狀。記憶合金棒在收縮過程中帶動杠桿組件的杠桿臂旋轉一定角度，從而帶動齒輪拖出夾運動，使得主動齒輪沿鍵脫離出嚙合狀態，實現其與轉軸連接的大齒輪脫離。

將卷簧軸心固定在支架上，調好卷簧的預緊力后，將卷簧外端尾部用銷固定在漫反射板轉動支臂上，如圖3所示。隨著漫反射板轉動角度的增大，儲存一定的轉矩。當齒輪分離后，漫反射板在卷簧儲蓄轉矩的作用下，克服軸承摩擦力矩(真空下漫反射板的重力矩為0)，繞轉動軸返回初始位置，從而避免漫反射板遮擋光路，實現應急退出功能。

2 參數設計

根據在軌使用需求和地面試驗需要，應急退出裝置必須滿足以下幾點要求：

1) 加熱棒的額定工作功耗為45 W，應使得記憶合金棒達到相變溫度≥80 ℃。

2) 記憶合金的收縮量為5.0～5.5 mm，在杠桿放大作用下，滿足主動齒輪的退出行程15 mm。

3) 卷簧儲蓄的轉矩作為負載力矩的一部分，應滿足機構驅動力矩裕度的要求；此外，卷簧儲蓄的轉矩作為復位驅動源，應滿足復位時克服軸承摩擦力矩的裕度要求。

針對上述3條技術要求，從加熱棒、記憶合金-杠桿和卷簧3方面對機構重要參數進行設計。

2.1 加熱棒設計

為保證加熱棒的傳導效率，將記憶合金棒設計為中空管狀結構，內徑為6 mm，外徑為9 mm。將加熱棒設計為桿狀結構，外徑為6 mm，總長為130 mm，采用雙鎧裝工藝，在內部填充氧化鎂導熱絕緣材料。在加熱棒與記憶合金棒間填充導熱硅脂，一端用銷釘連接固定，另一端無約束，以保證記憶合金的收縮性能，如圖4所示。加熱棒工作的穩定功耗為45 W，額定電壓為28 V。

圖4 加熱棒和記憶合金棒設計Fig.4 Design of heating rod and memory alloy rod

2.2 記憶合金-杠桿設計

記憶合金棒由鈦鎳形狀記憶合金制成，收縮位移量為δl。為保證完全拖出，需通過杠桿進行位移放大。設計杠桿的放大比例為α，齒輪的拖出位移量為lc，需滿足

lc>δl·α

(1)

受空間限制，記憶合金棒有效伸長段為130 mm，可收縮的位移量為5.0～5.5 mm。主動齒輪的齒寬為15 mm。設計杠桿的放大比例為4∶1。因此，齒輪的拖出位移可達20～22 mm，滿足拖出位移量要求，安全系數S1為1.30～1.47。

2.3 卷簧設計

在空間環境下，不考慮漫反射板的重力影響。卷簧驅動漫反射板復位時，僅需克服一對7002C角接觸球軸承的摩擦力矩Mzc。另外，卷簧儲蓄的轉矩Tj還應滿足電機驅動力矩裕度的要求，即滿足

Tjmin≥Mzc

(2)

(3)

Tjmax=Tj0+Cθ

(4)

根據固體潤滑軸承推薦預載，考慮安全系數，摩擦力矩Mzc≤40 mN·m。電機額定驅動轉矩T電=700 mN·m。機構為兩級傳動，總減速比i=64，傳動效率η按0.9計算。M1為折合到電機軸上的系統慣性力矩，M1=53.7 mN·m。M2為折合到電機軸上的軸承摩擦力矩，考慮受力和熱變形影響，經計算，M2=25.1 mN·m。

根據式(2)～(4)，計算得到卷簧提供轉矩Tjmin≥40 mN·m，卷簧隨漫反射板轉動129°后，儲存的轉矩Tjmax≤5.04 N·m。

因此，卷簧設計使用帶狀QBe2.0材料，帶寬為12 mm，厚為1.2 mm，圈數為6.375，圈間距離為4 mm，圈間接觸面涂MoS2防冷焊潤滑涂層[11]。設計卷簧剛度C=2.33 mN·m/(°)，預緊角度θ0=214°，則卷簧的初始預緊力矩Tj0=498 mN·m，轉動129°到位后的預緊力矩Tjmax=799 mN·m，電機驅動力矩裕度S2-1=5.9>3。參數設計滿足負載力矩要求，且滿足電機驅動力矩裕度的要求。

基于以上三方面的設計和分析，得到的應急退出裝置的關鍵參數見表1。

表1 應急退出裝置參數表

3 性能試驗

3.1 記憶合金收縮試驗

記憶合金收縮試驗用于驗證記憶合金棒的收縮性能。記憶合金棒的收縮位移是應急退出裝置實現功能的重要驅動源。驗收時，將記憶合金棒同批次產品按照實際裝配狀態進行安裝，并給加熱棒通電，分別測試記憶合金的收縮量、加熱時間和收縮時的溫度，結果見表2，均滿足設計要求。

表2 記憶合金收縮性能測試結果

3.2 卷簧剛度測試

卷簧測試使用的儀器為YT-2鉸鏈測試儀。傳感器量程為3 N·m。角速度為9 (°)/s。測試時，將平面渦卷彈簧安裝在測試工裝上，與鉸鏈測試儀接好，實測轉角與扭矩間的關系。測試范圍為0°～360°。得到卷簧的剛度曲線，如圖5所示。要求同一卷簧測試剛度值C=(2.33±0.35) mN·m/(°)。連續測試4次，并按編號記錄后3次的測量值，計算平均值，具體測試結果見表3。

圖5 卷簧剛度曲線Fig.5 Coil spring stiffness curve

3.3 退出試驗

驗證退出功能時，先給電機和控制電路加電，使漫反射定標機構運轉于定位狀態，再啟動應急退出模式，觀察二級小齒輪在記憶合金組件收縮后被拉出嚙合狀態的情況，確認齒輪副是否脫離并記錄時間，觀察漫反射板組件在卷簧驅動下是否能返回初始位，并記錄時間。試驗結果見表4。經驗證，應急退出功能均正常實現，狀態穩定，滿足設計要求。主動齒輪被拖出嚙合狀態后的位置如圖6所示。

表4 應急退出功能驗證

圖6 主動齒輪被拖出嚙合狀態Fig.6 Status of drive gear pulled out of engagement

4 結論

本文針對某型號遙感相機定標機構設計了一種用于解決電機或控制電路故障的應急退出裝置，利用研制產品進行了多項試驗，對應急退出裝置的功能和性能進行了驗證。結果表明：

1) 應急退出裝置額定直流工作電壓為28 V，功耗為45 W，記憶合金棒收縮位移為5.0～5.5 mm；

2) 卷簧剛度為2.33 mN·m/(°)，卷簧復位安全系數為6.3，可保證機構電機驅動力矩裕度為5.9，滿足大于3的要求；

3) 應急退出裝置分別在大氣條件和真空環境下完成了驗證試驗，實測齒輪退出時間為137～143 s，卷簧驅動時間為8～9 s。

本文設計的退出裝置具有結構緊湊、可靠性高、退出速度快、行程大、沖擊小的優點，能實現可靠故障應急，適用于空間遙感器機構的故障預案，具有極大的工程應用潛力。后續將進一步通過試驗研究卷簧在長壽命使用工況下的剛度變化情況，以期將本裝置應用于更多長壽命空間遙感機構。