衛星輻射計驅動機構技術特點綜述

劉明利 劉鵬飛 熊一帆 陳冠宇

（上海航天電子通訊設備研究所，上海201109）

隨著空間有效載荷相關技術的迅速發展,其功能不斷增多,相關技術要求也日趨完善, 在氣象衛星上，輻射計是及其重要的攜帶設備之一，起著氣象衛星的“眼睛”的作用。輻射計是一種被動有效載荷,輻射計具有全天候,全天時等特點,因此可以用來研究地球大氣系統的輻射平衡；研究海洋大氣熱量交換作用和氣候變化；探測中小尺度天氣現象如鋒面、高空急流、臺風、溫帶氣旋、反氣旋、雷暴，并判別天氣系統的發展階段及其未來的演變趨勢。

為了完成輻射計相關的功能就需要采取各種驅動機構來完成相關的任務, 驅動機構已成為空間有效載荷中必不可少的重要組成部分。驅動機構基本功能是：在相關有效載荷發射入軌后實現各種動作或運動, 使得相關的有效載荷能夠完成預期的功能，驅動機構對輻射計定位精度和在軌精度等起著相當重要的作用。

1 驅動機構分類

依據使用頻率可以將輻射計驅動機構分為一次性驅動機構、間歇性驅動機構和周期性驅動機構。一次性驅動機構一般采用彈簧或者充氣裝置等辦法。常見的一次性驅動機構主要用在大型反射面天線的展開和鎖定如：通信天線、數傳天線、測控天線、光通信器、太陽翼以及定向探測器的定位。間歇性驅動機構一般采用電機和凸輪或者齒輪齒條的傳動方式，常用的場景有有向導指引的輻射計掃描天線，在搜索天線的指引下對目標區域進行掃描和分析。周期性驅動機構是指在對地面掃描天線較小但是又需要大范圍成像的情況下，通過天線的掃描增加觀測范圍。

2 輻射計驅動機構特點[1]

驅動機構是輻射計的一個重要的子系統。驅動機構轉動部分帶動對地天線實現對地掃描,以獲得目標的微波或者其它圖象。由于空間應用的特殊性,決定了輻射計驅動機構應具備以下特點：

（1）速度范圍較大：為保證成像的圖像質量和圖像的實時性,應保證目標在天線口面范圍內有一定的停留時間, 并通過高速轉動從而減少重復掃描的間隔時間，因此掃描速度一般在10 r/min 到100r/min 之間。（2）大慣量：輻射計的掃描天線口徑較大,為了保證輻射計的探測幅寬，掃描天線的口徑一般都在1 米以上甚至是更大。同時為了滿足發射階段振動環境，需要提高掃描天線的剛度和強度，因此掃描天線的質量和慣量較大。（3）有效的功耗：輻射計驅動機構所使用的場合決定了能源供給有限，因此在機構的設計之初就需要對所使用的部件進行合理的選擇來降低功耗。（4）高可靠性： 輻射計驅動機構所使用的場合決定了必須增加機構的可靠性，如果驅動機構無法按要求完成相關的功能和性能那么輻射計甚至是整顆衛星的部分或者全部功能都將喪失，因此會帶來較為嚴重的經濟和社會影響。（5）高精度： 輻射計主要用來獲取目標區域的微波或者可見光的圖像來對目標區域進行分析，如果驅動機構的精度不夠那么就無法正確和有效獲得結果。

全球成像儀（GLI）的掃描鏡驅動機構（見圖）是一個專為ADEOS-2 衛星設計的兩維驅動機構。該驅動機構是一個典型的俯仰角加方位角構造，并配以具有完整備份的S 級電路控制單元。在方位軸上使用的是步進電機構成的驅動器，其輸出軸承也被加大和隔離以增加強度。方位軸上還包括一個作位置傳感的21 位旋轉變壓器。而俯仰軸上配置的則是無刷直流電機和一個20 位增量式光柵編碼器。該結構基材為鈹，使用鋁軛，掃描鏡基材也是鈹的。電路控制單元則提供電源支持、旋轉變壓器的數字轉換、電機驅動，以及基于微處理器的記錄和閉環伺服控制等。

全球成像儀（GLI）驅動機構

3 輻射計驅動機構設計面臨的問題[2，3]

對于輻射計驅動機構, 有一些有特點的問題是需要重點研究的,這些問題同時也是設計的難點。它們是：驅動力問題,精度分配問題,空間環境問題,壽命問題。

3.1 驅動力問題。驅動機構的部件確定后機構的驅動力和驅動力矩就無法更改，因此在驅動機構的設計之初就需要對機構的驅動力和驅動力矩進行準確的分配。驅動機構的驅動力和驅動力矩分為動態和靜態兩種。靜態驅動力和驅動力矩是指驅動機構在靜止轉換為運動的瞬間所需要的最小的力和力矩也就是啟動力和啟動力矩。動態力和動態力矩是指維持驅動機構周期運動時所需要的力和力矩。通常情況下，動態力和力矩小于靜態力和力矩。

3.2 精度分配問題。驅動機構的精度決定了輻射計載荷的精度，對于一個高精度的驅動機構，正確合理的分配精度指標是非常重要的，影響驅動機構的精度因素主要是加工誤差、裝配誤差和測量誤差等。對于加工誤差可以通過合理和正確的設計進行彌補，結合工程實際有效合理的分布各個零部件之間的配合誤差來提高驅動機構的精度的確定各個關鍵部件的精度要求即通過分析發現系統中的精度敏感因素, 正確合理地確定精度調整環節。裝配誤差是指機構在裝配的過程中不可避免產生的誤差，裝配誤差需要通過設置有效的調整環節來提高機構的精度，常用的調整環節有，對軸承的預緊力進行測試設置，增加調整墊片等。

3.3 空間環境問題。輻射計驅動機構需要工作在真空、輻射、原子氧以及冷熱交變的環境中，因此驅動機構就需要考慮材料的熱脹系數匹配問題。輻射計驅動機構經常用在高精度、高負載場合中，因此驅動機構的精度就決定了輻射計載荷的系統精度，嚴正的可能影響整顆衛星精度甚至是成敗。

空間冷熱環境對驅動機構的影響主要是活動部件和固定部件材料之間的熱脹系數的不匹配進而導致驅動機構無法完成相關的功能的問題。熱脹系數不一致可能使得活動部件和固定部件的間隙增大進而導致精度降低甚至是功能喪失。或者是活動部件和固定部件之間間隙減少、摩擦力增加進而導致機構壽命降低甚至是卡滯。

對于空間驅動機構所處空間環境影響的問題目前主要是采用主動和被動兩種辦法對機構所處環境溫度進行調控，主動溫度調控是指在驅動機構相關零部件位置粘貼加熱片，在環境溫度低于閥值時通過加熱片的加熱功能對驅動機構進行溫度補償。被動溫控是指在驅動機構外表面包覆鍍鋁聚酰亞胺和在噴涂溫控漆和等方法。鍍鋁聚酰亞胺可以認為是給機構穿上一層保暖的羽絨服，這樣既可以隔離空間輻射又可以給機構保暖防止溫度過低。溫控漆是指在機構的外表面涂上一層反射層用來反射陽光的鍍層，鍍層可以減少陽光周期性變化對機構環境溫度的影響。目前這兩種方法在工程上均有成功的應用且多為主動和被動兩種方法配合使用，很少會單獨采用一種方法。

3.4 壽命問題。輻射計驅動機構是系統完成相關功能和性能的關鍵設備，一旦驅動機構無法按照既定的要求工作或者喪失工作能力，那么整個系統也就無法工作，因此驅動機構的壽命就決定了輻射計系統的壽命。影響驅動機構壽命因素有很多，其中最主要的就是活動部件和固定部件之間潤滑問題。目前常用的潤滑油固體潤滑、油潤滑和脂潤滑。固體潤滑是在活動部件和固體部件的接觸面上涂鍍一層耐磨涂層來減少摩擦阻力延長驅動機構的壽命，固體潤滑目前較為成熟且不需要密封，不會出現多余物。但是固體潤滑的壽命只有百萬至千萬次轉動，僅用在小載荷和中等壽命的驅動機構中。油潤滑作為目前延長驅動機構壽命最長的潤滑手段經常用在長壽命、高精度等工況下，采用油潤滑的驅動的壽命可以達到千萬甚至是上億次轉動。但是因為潤滑容易揮發，對驅動進行設計的時候需要考慮密封問題，今年國內外對潤滑油進行了相關的研究，陸續推出了無揮發性潤滑油。

4 結論

本文對輻射計驅動機構的特點以及設計過程中面臨的問題進行總結和概括，為相關領域的設計提供一定的幫助。