伺服機(jī)構(gòu)熱控設(shè)計(jì)

永 強(qiáng)，謝曉光，徐 偉

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

航天器在空間長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)需要適應(yīng)復(fù)雜的空間環(huán)境，包括真空環(huán)境、冷黑空間、微重力、太陽(yáng)輻射、地球等的輻射等。另外，航天器自身工作模式變化、材料退化、軌道和姿態(tài)變化等都對(duì)航天器熱控系統(tǒng)造成影響。伺服機(jī)構(gòu)放置在航天器外表面，整個(gè)機(jī)構(gòu)有時(shí)受到太陽(yáng)直射，有時(shí)受到航天器或地球陰影影響，外熱流環(huán)境極其復(fù)雜［1－3］。伺服機(jī)構(gòu)溫度梯度可能會(huì)引起伺服機(jī)構(gòu)精度受到影響，嚴(yán)重的導(dǎo)致機(jī)構(gòu)卡滯，最終導(dǎo)致任務(wù)失?。?－6］。

1 伺服機(jī)構(gòu)

伺服機(jī)構(gòu)放置在航天器安裝板外側(cè)，由機(jī)構(gòu)支座、天線1安裝法蘭、軸系1、電機(jī)1、電機(jī)1輻射板、電機(jī)2輻射板、電機(jī)2、軸系2、天線支座2、天線2火工品、天線2安裝法蘭等組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

在軌運(yùn)行時(shí)伺服機(jī)構(gòu)軸系1帶動(dòng)天線1安裝法蘭和碳纖維桿，從而改變軸系2空間位置、軸系2通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)天線2，最終確定天線1和天線2的位置和姿態(tài)。伺服機(jī)構(gòu)有熱耗的器件有電機(jī)1、電機(jī)2、編碼器1及編碼器2，在軌運(yùn)行階段電機(jī)和編碼器常開(kāi)，碳纖維桿和天線1、天線2的位置和姿態(tài)根據(jù)軸系1和軸系2輸入條件發(fā)生變化。

2 伺服機(jī)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

航天器太陽(yáng)同步軌道、太陽(yáng)入射角從－90°～＋90°變化，伺服機(jī)構(gòu)安裝的衛(wèi)星外表面噴涂S781白漆用于散熱，衛(wèi)星外表面溫度波動(dòng)范圍為－25～＋55℃，衛(wèi)星與伺服機(jī)構(gòu)之間設(shè)有10 mm聚酰亞胺隔熱墊，天線載荷內(nèi)外表面噴涂S781白漆。伺服機(jī)構(gòu)各零部件的溫度范圍如表1所示。

表1 伺服機(jī)構(gòu)工作溫度

2.2 熱平衡方程

在軌運(yùn)行階段，伺服機(jī)構(gòu)溫度場(chǎng)主要取決于空間環(huán)境條件和伺服機(jī)構(gòu)自身工作模式。在真空環(huán)境中，伺服機(jī)構(gòu)散熱途徑只有熱傳導(dǎo)和熱輻射。伺服機(jī)構(gòu)熱分析時(shí)可通過(guò)能量守恒定律計(jì)算［7－9］，即：

Q1＋Q2＋Q3＋Q4＝ Q5＋Q6（1）

式中：Q1為伺服機(jī)構(gòu)吸收的太陽(yáng)輻射熱量；Q2為伺服機(jī)構(gòu)吸收的地球反照熱量；Q3為伺服機(jī)構(gòu)吸收的紅外輻射熱量；Q4為伺服機(jī)構(gòu)自身內(nèi)能的變化；Q5為伺服機(jī)構(gòu)向宇宙空間輻射的熱量。

事實(shí)上，空間伺服機(jī)構(gòu)在軌運(yùn)行階段不是等溫體，機(jī)構(gòu)各零件之間溫度、同一零件不同部位溫度有著明顯區(qū)別。在熱計(jì)算過(guò)程中不僅要分析伺服機(jī)構(gòu)整體溫度，還要分析機(jī)構(gòu)每一處溫度水平。熱計(jì)算時(shí)將機(jī)構(gòu)離散化成等溫體，每個(gè)網(wǎng)格溫度用結(jié)點(diǎn)溫度描述，最后建立每個(gè)結(jié)點(diǎn)的熱平衡方程進(jìn)而得到機(jī)構(gòu)的溫度水平。離散化熱分析示意圖如圖2所示。

圖2 離散化熱分析示意圖

式中：aSi為航天器表面的太陽(yáng)吸收率；S為太陽(yáng)常數(shù)；Er為地球表面反射太陽(yáng)光密度；Ee為地球表面紅外輻射密度；Ai為結(jié)點(diǎn)i的表面積；φ1i、φ2i、φ3i分別為結(jié)點(diǎn)i相對(duì)于太陽(yáng)光、地球反射和和紅外輻射的角系數(shù)；Bj，i為結(jié)點(diǎn)i對(duì)結(jié)點(diǎn)j的吸收因子；Ti、Tj分別為結(jié)點(diǎn)i和結(jié)點(diǎn)j的溫度；Pi為結(jié)點(diǎn)i的內(nèi)熱源功率；εj為結(jié)點(diǎn)j表面發(fā)射率；εii為結(jié)點(diǎn)i內(nèi)表面發(fā)射率；εei為結(jié)點(diǎn)i外表面發(fā)射率；kj，i為結(jié)點(diǎn)j和結(jié)點(diǎn)i之間的傳熱因子；σ為斯忒藩－玻爾茲曼常數(shù)；mi為結(jié)點(diǎn)i質(zhì)量；ci為結(jié)點(diǎn)i比熱容；τ為時(shí)間。

式中左邊第1項(xiàng)為結(jié)點(diǎn)i吸收的外熱流大小，第2項(xiàng)為結(jié)點(diǎn)i從其他結(jié)點(diǎn)通過(guò)輻射吸收的能量，第3項(xiàng)為結(jié)點(diǎn)i內(nèi)熱源功率，第4項(xiàng)為結(jié)點(diǎn)i從其他結(jié)點(diǎn)通過(guò)傳導(dǎo)吸收的能量，右邊第1項(xiàng)為結(jié)點(diǎn)i向外輻射熱量，第2項(xiàng)為結(jié)點(diǎn)i自身內(nèi)能變化。在充分考慮熱控邊界條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的熱控設(shè)計(jì)及熱控措施，可以實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)外熱平衡關(guān)系。

2.3 伺服機(jī)構(gòu)熱控方案

伺服機(jī)構(gòu)熱控分系統(tǒng)的任務(wù)是為伺服機(jī)構(gòu)本體提供所要求的工作溫度，確保伺服機(jī)構(gòu)在空間環(huán)境條件下正常工作。然而此套伺服機(jī)構(gòu)與其他伺服機(jī)構(gòu)不同，給伺服機(jī)構(gòu)熱控帶來(lái)一定難度，主要表現(xiàn)為：

（1）伺服機(jī)構(gòu)姿態(tài)變化頻繁且伺服機(jī)構(gòu)本體直接暴露于外層空間，伺服機(jī)構(gòu)各面均受到太陽(yáng)光直射影響，無(wú)穩(wěn)定散熱面；

（2）伺服機(jī)構(gòu)除考慮工作模式之外，還需要考慮故障模式（即伺服機(jī)構(gòu)不旋轉(zhuǎn)，可能任意方向鎖緊），運(yùn)控模式與加熱功率間的矛盾明顯，必須統(tǒng)籌考慮全面優(yōu)化伺服機(jī)構(gòu)熱控功率分配，并充分考慮多種工作模式；

（3）伺服機(jī)構(gòu)電機(jī)熱耗高、發(fā)熱量大、工作時(shí)間長(zhǎng)，常規(guī)熱控措施受限；

（4）空間伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命達(dá)到5年以上，需考慮熱控材料及涂層的退化。

在充分考慮航天器任務(wù)和特點(diǎn)、軌道參數(shù)、姿態(tài)狀況、空間環(huán)境條件、設(shè)計(jì)壽命和可靠性指標(biāo)、伺服機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)外形和材料屬性、各種儀器設(shè)備的外形尺寸、質(zhì)量、熱容量、工作模式、熱控材料后，伺服機(jī)構(gòu)采取以下熱控措施。

2.3.1 被動(dòng)熱控

由于電機(jī)熱容較小導(dǎo)致溫度波動(dòng)較大、又由于電機(jī)表面散熱面積小，在電機(jī)上下表面處增加輻射板用于散熱，輻射板與電機(jī)安裝形式如圖3所示。

圖3 電機(jī)輻射板設(shè)計(jì)

圖4 外圍框架散熱面

電機(jī)上安裝2個(gè)輻射板，每個(gè)電機(jī)有效輻射板面積為7 200 mm2，雙面均二次表面鏡OSR處理。電機(jī)其余外表面均噴涂白漆。另外為提高電機(jī)與其它部組件之間熱交換，將步進(jìn)電機(jī)安裝面涂導(dǎo)熱硅脂后，用框架機(jī)殼壓緊，接觸界面外側(cè)涂室溫硫化硅橡膠GD414C封口。

編碼器一端與中心軸連接，中心軸由鈦合金制作，散熱效果較差，輻射板另一端與外圍框架鏈接。另外，電機(jī)熱量通過(guò)電機(jī)法蘭傳熱給外圍法蘭，在高溫工況下為降低電機(jī)溫度，在外圍法蘭靠近電機(jī)一端噴涂白漆用于散熱。外圍框架外圍噴涂白漆，白漆噴涂部分如圖4所示。

另外，為減小外熱流對(duì)碳纖維桿和天線支架溫度的影響采用F46多層包覆。為減小單機(jī)部件溫度梯度外圍框架內(nèi)表面、編碼器外表面黑色陽(yáng)極氧化處理。伺服機(jī)構(gòu)中用到的熱控涂層有黑色陽(yáng)極氧化（太陽(yáng)吸收比為0.85、紅外發(fā)射率為0.85）、S781 （壽命初期太陽(yáng)吸收比0.17，壽命末期0.35、紅外發(fā)射率為0.87）和玻璃二次表面鏡OSR（太陽(yáng)吸收比為0.14、紅外發(fā)射率為0.81）。伺服構(gòu)采用的多層隔熱組件最外層為單面鍍鋁F46膜朝外，壽命初期太陽(yáng)吸收率為0.13、壽命末期0.32，紅外發(fā)射率為0.69。

2.3.2 主動(dòng)熱控

伺服機(jī)構(gòu)本體主動(dòng)熱控加熱器采用聚酰亞胺加熱薄膜，加熱區(qū)布局及功耗分配主要是針對(duì)伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)熱變形敏感部位及由于非對(duì)稱(chēng)熱載荷特別是受不同外熱流影響所形成的相對(duì)低溫區(qū)部位考慮，具體分配指標(biāo)如表2所示。伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)部如圖5所示。

表2 主動(dòng)加熱回路

圖5 伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)部圖

2.3.3 其他考慮

（1）機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位需要分開(kāi)包覆，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多層之間不能有接觸避免影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，間隙也不能太大以免漏熱。

（2）提高熱設(shè)計(jì)可靠性，熱設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)單機(jī)部件的溫度控制能力留有一定余量。

（3）盡可能采用成熟的熱控技術(shù)和工藝，選用已使用過(guò)并被證明可靠的材料、器件設(shè)備。

3 熱分析及熱試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 熱分析

利用Thermal Desktop軟件建立伺服機(jī)構(gòu)的熱計(jì)算模型，隨后利用Sinda／Fluent軟件進(jìn)行熱計(jì)算，驗(yàn)證熱控措施的合理性。伺服機(jī)構(gòu)熱計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 伺服機(jī)構(gòu)熱分析圖

熱設(shè)計(jì)時(shí)把伺服機(jī)構(gòu)的狀態(tài)分為高溫工況和低溫工況：高溫工況時(shí)軸1和軸2電機(jī)和編碼器常開(kāi)、外熱流取最大、熱控材料紅外吸收率和紅外輻射取壽命末期；低溫工況時(shí)軸1和軸2電機(jī)和編碼器不工作、外熱流取最小、熱控材料取壽命初期。伺服機(jī)構(gòu)在軌工作時(shí)有可能一直處于高溫工況也有可能一直處于低溫工況，為保證伺服機(jī)構(gòu)在軌穩(wěn)定運(yùn)行，兩種工況的狀態(tài)如表3所示。

表3 高低溫工況

3.2 熱分析結(jié)果

3.2.1 高溫工況熱分析結(jié)果

饋電伺服機(jī)構(gòu)高溫情況下整體溫度范圍在－4～＋47℃，滿(mǎn)足單機(jī)部件的使用和存儲(chǔ)溫度范圍。高溫工況熱分析結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 高溫時(shí)電機(jī)1和軸1溫度曲線

圖8 編碼器1和連桿溫度曲線

圖9 電機(jī)2和軸系2溫度曲線

電機(jī)1在軌運(yùn)行時(shí)處于一直工作狀態(tài)，并且電機(jī)1長(zhǎng)期受到太陽(yáng)直射溫度較高，平衡時(shí)溫度到達(dá)45℃，軸1中心軸是鈦合金制作，導(dǎo)熱效果較差，內(nèi)外軸溫度差為8℃，編碼器1最高溫達(dá)到45℃，滿(mǎn)足編碼器使用環(huán)境要求。連接桿由碳纖維制作，導(dǎo)熱效果較差，加上連接桿有一部分陰影面，連接桿的溫度梯度為10℃。軸2編碼器在軌常開(kāi)，通過(guò)接觸和輻射散熱，編碼器2在軌最高溫不超過(guò)22℃。

3.2.2 低溫工況熱分析結(jié)果

根據(jù)外熱流條件和工作模式，伺服機(jī)構(gòu)低溫工況發(fā)生在圖10～12所示位置，此時(shí)電機(jī)和編碼器不工作，熱控涂漆處于壽命初期。

在低溫工況時(shí)電機(jī)1、電機(jī)2溫度均在－10～0℃之間，占空比為40%～60%。編碼器1和編碼器2溫度為－15～－5℃之間，連桿溫度梯度和軸系內(nèi)外溫度差均不超過(guò)10℃，滿(mǎn)足各單機(jī)部件的環(huán)境要求。

圖10 電機(jī)1和編碼器1溫度

圖11 軸系內(nèi)外溫度差和連桿溫度

圖12 電機(jī)2和編碼器2溫度

3.3 熱試驗(yàn)

為驗(yàn)證伺服機(jī)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的正確性，考察熱控措施在軌飛行階段熱環(huán)境的適應(yīng)性及確定相關(guān)熱控參數(shù)，進(jìn)行了伺服系統(tǒng)的熱平衡試驗(yàn)。根據(jù)熱分析過(guò)程熱平衡試驗(yàn)分為高溫平衡和低溫平衡，考察高溫時(shí)刻和低溫時(shí)刻電機(jī)、編碼器等單機(jī)的溫度范圍。

伺服機(jī)構(gòu)的熱試驗(yàn)主要包括熱真空管、紅外加熱籠、測(cè)溫及控溫裝置等，如圖13所示。試驗(yàn)過(guò)程中伺服機(jī)構(gòu)放置在真空度低于1 ×10－4Pa、熱沉溫度低于100 K的真空冷黑環(huán)境中。通過(guò)Thermal－Desktop 和SINDA／FLUINT軟件計(jì)算伺服機(jī)構(gòu)在軌飛行過(guò)程中到達(dá)每一面的外熱流溫度，利用熱流計(jì)采溫和紅外加熱籠的加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)熱流的精確控制，滿(mǎn)足不同區(qū)域的熱流條件。

在熱試驗(yàn)時(shí)電機(jī)、連桿、軸系上均粘貼熱敏電阻用于采集相應(yīng)點(diǎn)的溫度，熱試驗(yàn)時(shí)相應(yīng)熱敏電阻溫度如表4所示。

圖13 伺服機(jī)構(gòu)及加熱籠

表4 熱試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)仿真分析驗(yàn)證和熱試驗(yàn)結(jié)果可知，在低溫工況時(shí)電機(jī)1、電機(jī)2溫度均在0～10℃之間，加熱回路占空比為40%～60%，編碼器1和編碼器2溫度在－15～－5℃之間，連桿溫度梯度和軸系內(nèi)外溫度差均不超過(guò)10℃，滿(mǎn)足各單機(jī)部件的環(huán)境要求。高溫工況時(shí)電機(jī)最高溫不超過(guò)45℃，伺服機(jī)構(gòu)熱控設(shè)計(jì)溫度余量均大于10℃。伺服機(jī)構(gòu)通過(guò)被動(dòng)熱控為主、主動(dòng)熱控為輔的思想，減少加熱回路、簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度并達(dá)到控制各單機(jī)部件溫度的目的。通過(guò)熱平衡試驗(yàn)充分驗(yàn)證了伺服機(jī)構(gòu)熱控設(shè)計(jì)的正確性和熱措施的有效性。