一種空間有源太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

鄧小群，李天齊，王 伽，陳金鳳，馬巧紅，劉 念，吳光旭，劉 文

(中國(guó)航天科工集團(tuán)貴州航天控制技術(shù)有限公司，貴陽(yáng) 550009)

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，微納衛(wèi)星已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[1-5],同時(shí)因其質(zhì)量小、成本低、一次可多星發(fā)射，在空間應(yīng)用逐步廣泛[6-7]。

太陽(yáng)翼是微納衛(wèi)星動(dòng)力和能源的主要提供裝置[8]，其能否正常展開(kāi)是航天器能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵[9-11]。太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)有一次性和可重復(fù)性展開(kāi)兩種，一次性鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，在國(guó)內(nèi)外大部分航天器中應(yīng)用廣泛，然而存在展開(kāi)沖擊大、易卡死、不可重復(fù)展收等缺點(diǎn)，限制了其在空間領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用[12]；可重復(fù)展開(kāi)鉸鏈機(jī)構(gòu)具有定位精度高、可靠性高和負(fù)載大等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[13]。由于受航天器運(yùn)載機(jī)構(gòu)空間布局的限制，輕質(zhì)、小體積設(shè)計(jì)是其主流方向；同時(shí)針對(duì)空間環(huán)境開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題，即適應(yīng)低溫環(huán)境并可靠展開(kāi)[14]、高溫環(huán)境下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變形大而無(wú)法精確傳動(dòng)及加載的問(wèn)題進(jìn)行研究[15]。

本文針對(duì)一種空間微納衛(wèi)星太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)可重復(fù)展收和鎖定、空間環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題進(jìn)行研究，分別從結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案、高精度位置控制、低噪聲驅(qū)動(dòng)控制、空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、模態(tài)特性仿真分析和試驗(yàn)幾個(gè)方面進(jìn)行研究，并完成了工程產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 整體設(shè)計(jì)方案

太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)為太陽(yáng)翼基板提供安裝和承載接口，需要在指令角度保持鎖定狀態(tài)和根據(jù)不同指令角度實(shí)現(xiàn)位置姿態(tài)切換、實(shí)時(shí)檢測(cè)角位置信息并向衛(wèi)星主控系統(tǒng)反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。結(jié)合微納衛(wèi)星太陽(yáng)翼空間應(yīng)用背景與工作環(huán)境，對(duì)重復(fù)折展可鎖定太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了功能分析。鉸鏈機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，由1臺(tái)控制器、2臺(tái)功能組成完全一樣的展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成?？刂破髋c衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)之間采用雙冗余CAN總線通信，分為主通信和備用通信2個(gè)通道。綜合電子系統(tǒng)向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)采集、角度展收等主控命令，控制器根據(jù)要求返回狀態(tài)和展開(kāi)角度等信息。

展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要由底座、步進(jìn)電機(jī)、位置傳感器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(蝸輪蝸桿副和齒輪)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、帶支耳的輸出軸和蓋板等部分組成。底座是展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基體，采用空殼框架結(jié)構(gòu)，各零、部組件均安裝在底座內(nèi)部，同時(shí)，底座設(shè)置安裝法蘭，用螺釘將展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定在衛(wèi)星艙體上。

圖1 展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 3-D structure diagram of deployment executing mechanism

電機(jī)采用微小型兩相宇航步進(jìn)電機(jī),運(yùn)行頻率為500Hz,力矩為0.1N·m；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩級(jí)減速，第一級(jí)采用齒輪傳動(dòng),第二級(jí)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng),總減速比為90;位置傳感器為1對(duì)極的無(wú)刷旋變;微動(dòng)開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)零位和最大角度兩端極限位置。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of transmission mechanism

步進(jìn)電機(jī)具有體積小、質(zhì)量小、功耗低、力矩大、有自鎖能力、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，在非超載情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖個(gè)數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度，通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)即可控制角位移量。

在減速機(jī)構(gòu)的輸出軸安裝無(wú)刷旋變作為位置傳感器，測(cè)量輸出軸精確位置作為控制系統(tǒng)反饋，經(jīng)閉環(huán)控制后實(shí)現(xiàn)展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確位置控制。同時(shí)，在輸出軸上安裝限位裝置，分別在初始和旋轉(zhuǎn)到最大位置時(shí)觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)給出位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)限位保護(hù)。利用蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的自鎖特性，可以可靠鎖定展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸，從而固定太陽(yáng)翼基板的展開(kāi)角度，達(dá)到衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌工作并可靠鎖定的目的。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案優(yōu)點(diǎn)如下：

1)可保證傳動(dòng)結(jié)構(gòu)能自鎖，且鎖定可靠；

2)傳動(dòng)比較大，因此可以減少傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高可靠性；

3)同樣傳動(dòng)比時(shí)，蝸輪蝸桿的質(zhì)量小于其他類型減速機(jī)構(gòu)，有利于輕質(zhì)設(shè)計(jì)；

4)蝸輪蝸桿的剛度大于齒輪傳動(dòng)，因此可提高系統(tǒng)的總剛度，從而提高模態(tài)的扭轉(zhuǎn)基頻；

5)在相同的空間體積下，更有利于實(shí)現(xiàn)雙軸驅(qū)動(dòng)；

6)選擇旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器，具有能精確實(shí)時(shí)測(cè)量輸出軸角位置、適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2 高精度位置控制

采用閉環(huán)位置控制可以使太陽(yáng)翼的展開(kāi)更為平穩(wěn)精準(zhǔn)，但是在閉環(huán)控制過(guò)程中需要實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)翼展開(kāi)的角度來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)。因展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在衛(wèi)星艙外，位置檢測(cè)部件的選用需滿足衛(wèi)星輕質(zhì)小型化、適應(yīng)空間惡劣環(huán)境等要求。

常用于展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)的傳感器主要有光電編碼器、電位計(jì)、磁敏傳感器等幾種。光電編碼器體積空間較大，同時(shí)光電編碼器、電位計(jì)、磁敏傳感器涉及的核心工作部件不能適應(yīng)空間惡劣環(huán)境。旋轉(zhuǎn)變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、檢測(cè)精度較高的特點(diǎn)，可以滿足星上部件對(duì)高可靠性、惡劣環(huán)境適應(yīng)性等要求。設(shè)計(jì)采用1對(duì)極的無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度位置傳感器，其電氣角誤差不大于15′、質(zhì)量為30g,安裝在減速機(jī)構(gòu)的輸出軸上，實(shí)時(shí)測(cè)量輸出軸位置角度信息;同時(shí)控制器設(shè)計(jì)了一種雙通道位置檢測(cè)電路，位置檢測(cè)精度可達(dá)0.01°,可滿足高精度、可重復(fù)展開(kāi)太陽(yáng)翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)需求。

位置檢測(cè)電路原理框圖見(jiàn)圖3，主要由解碼電路、激勵(lì)放大電路、輸入調(diào)理電路組成，其中解碼電路核心芯片為FXS1210B、激勵(lì)放大電路核心芯片為FX0041、輸入調(diào)理電路的核心芯片為7F4277A。

圖3 位置檢測(cè)電路原理框圖Fig.3 Schematic diagram of position detection circuit

3 低噪音穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)控制

兩相感應(yīng)永磁步進(jìn)電機(jī)通常采用雙四拍制通電方式，當(dāng)A、B繞組通以恒定電流時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Tem按余弦規(guī)律變化，電機(jī)每走一步電磁轉(zhuǎn)矩均是由零跳變到最大，再變到零。當(dāng)A、B繞組電流相序經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的變化，電機(jī)運(yùn)行4步，電磁轉(zhuǎn)矩就經(jīng)歷了4次由零跳變到最大再變到零的變化過(guò)程，電流及轉(zhuǎn)角特性如圖4所示。在這種變化規(guī)律的電磁轉(zhuǎn)矩作用下，電機(jī)運(yùn)行具有很大的波動(dòng)性和噪音，對(duì)其平穩(wěn)和精確控制非常不利。

圖4 通恒定電流時(shí)的電流及矩角特性Fig.4 Current and torque angle characteristics at constant current

為改善電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行特性，提高控制精度，設(shè)計(jì)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，即將整步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的步矩角各相電流以階梯狀m步細(xì)分逐漸增加，使轉(zhuǎn)子運(yùn)行效果光滑和穩(wěn)定，達(dá)到改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的平穩(wěn)度和降低噪音的目的。

為實(shí)現(xiàn)繞組電流恒幅均勻細(xì)分控制，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波占空比控制，電機(jī)繞組的正余弦電流根據(jù)細(xì)分?jǐn)?shù)量轉(zhuǎn)化為PWM中斷定時(shí)改變DSP比較寄存器中的值，并采用查表法輸出。未采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制的相電流及PWM波形見(jiàn)圖5(紅色曲線為PWM波，黃色曲線為A相繞組電流)；細(xì)分控制后的相電流及PWM波形見(jiàn)圖6(紅色和藍(lán)色曲線為PWM波形，黃色曲線為A相繞組電流)。由圖5和圖6比較可知，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制后的步進(jìn)電機(jī)相電流平滑且接近正弦波，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)且無(wú)噪音。

圖5 未細(xì)分控制前的PWM 波形及A相繞組電流Fig.5 PWM waveform and phase-A winding current before subdivision control

圖6 細(xì)分控制后的PWM 波形及A相繞組電流Fig.6 PWM waveform and phase-A winding current after subdivision control

4 模態(tài)特性分析

為避免太陽(yáng)翼基板展開(kāi)過(guò)程產(chǎn)生的固有頻率引起機(jī)械諧振，須對(duì)太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析并合理控制。根據(jù)衛(wèi)星控制系統(tǒng)要求，太陽(yáng)翼基板的質(zhì)量為1kg，展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝后，為滿足太陽(yáng)翼基板一階彎曲頻率要求,鉸鏈機(jī)構(gòu)一階基頻不小于5Hz。

采用ANSYS workbench13.0對(duì)鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析，模態(tài)越低則剛度越低，因此將太陽(yáng)翼基板的一階彎曲模態(tài)定為5Hz作為總體剛度計(jì)算的基礎(chǔ)。太陽(yáng)翼基板材料參數(shù)反演過(guò)程中采用固定邊界條件，固定位置為鉸鏈的夾持點(diǎn)。為提高彎曲計(jì)算精度，將太陽(yáng)翼基板的厚度方向設(shè)為小尺寸單元。同時(shí)為減小計(jì)算規(guī)模，將太陽(yáng)翼基板的工作面設(shè)為大尺寸單元，太陽(yáng)翼基板固定于展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的2個(gè)支撐架上，形成懸臂結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)基頻計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7中可知，第一階模態(tài)振形8.25Hz，滿足控制系統(tǒng)要求。

圖7 一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)計(jì)算結(jié)果Fig.7 First-order torsion calculation result

5 空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

空間環(huán)境的適應(yīng)能力主要受4個(gè)方面的影響，一是關(guān)鍵傳動(dòng)部件和軸承潤(rùn)滑，二是材料選用，三是防卡死，四是熱設(shè)計(jì)。

在軸承和關(guān)鍵傳動(dòng)部件潤(rùn)滑方面，產(chǎn)品選用固體潤(rùn)滑軸承，關(guān)鍵傳動(dòng)部件和電機(jī)軸承通過(guò)濺射二硫化鉬固體潤(rùn)滑膜達(dá)到潤(rùn)滑及防止冷焊的作用。

材料選用方面，真空環(huán)境中使用的材料應(yīng)滿足質(zhì)損低、耐輻照、耐高低溫、膨脹系數(shù)小等要求。真空環(huán)境通常對(duì)金屬材料影響不大，對(duì)電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)主要考慮非金屬材料的影響。產(chǎn)品所用非金屬材料主要應(yīng)用于絕緣體系，包括槽絕緣、浸漬漆等絕緣材料。電機(jī)的槽絕緣采用聚酰亞胺薄膜，漆包線采用聚酰亞胺漆包線，浸漬漆采用有機(jī)硅浸漬漆，上述材料均屬聚酰亞胺類高分子材料。這種高分子材料的高真空性、耐熱性、耐輻照性、耐化學(xué)穩(wěn)定性、耐老化性能均為同類產(chǎn)品中最高。

防卡死方面除軸承和關(guān)鍵傳動(dòng)部件潤(rùn)滑外，依據(jù)摩擦副使用材料的線膨脹系數(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)置徑向配合間隙，防止衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，由于溫度變化引起零件尺寸變化，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件卡死情況發(fā)生。同時(shí)為降低溫度變化對(duì)傳動(dòng)軸軸向約束結(jié)構(gòu)的影響，傳動(dòng)軸軸向都采用單端雙向約束設(shè)計(jì)方式。

熱設(shè)計(jì)方面，在真空環(huán)境中幾乎沒(méi)有氣體的對(duì)流，展開(kāi)機(jī)構(gòu)只能依靠傳導(dǎo)散熱和輻射散熱，散熱條件比較惡劣。采取了以下措施：

1)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減小電機(jī)繞組電阻及提高驅(qū)動(dòng)器效率，減少電機(jī)及功率元件的發(fā)熱量；

2)合理進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高電機(jī)絕緣耐熱等級(jí)，電機(jī)的絕緣耐熱等級(jí)為H級(jí)，可在180℃高溫下長(zhǎng)期工作；

3)提高展開(kāi)機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)之間接口的安裝面光潔度，以減小熱阻；

4)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加輻射散熱面積，展開(kāi)機(jī)構(gòu)的外表面采取氧化鋁處理(發(fā)黑)，大大提升了輻射散熱的能力；

5)采用熱防護(hù)措施，使用多層隔熱組件從外部進(jìn)行包覆，兩端不進(jìn)行包覆；

6)采取低溫加熱措施，根據(jù)溫度傳感器測(cè)量溫度，低于一定溫度設(shè)定值的低溫環(huán)境下整星對(duì)展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

將鉸鏈機(jī)構(gòu)固定在加載臺(tái)上，將加載搖臂放入展開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支耳中，負(fù)載恒定扭矩為1.2N·m的砝碼，對(duì)鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試。在鉸鏈機(jī)構(gòu)展開(kāi)至100°及120°時(shí)鎖定，并將負(fù)載砝碼增加至2N·m，鉸鏈機(jī)構(gòu)應(yīng)能保持鎖定，以此驗(yàn)證鉸鏈鎖定靜載力矩。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程、測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試報(bào)表，可檢查鉸鏈機(jī)構(gòu)的展開(kāi)時(shí)間、角度控制誤差、靜態(tài)扭矩、展開(kāi)鎖定狀態(tài)下加速度過(guò)載。

鉸鏈機(jī)構(gòu)1.2 N·m負(fù)載狀態(tài)下展開(kāi)和收攏角度隨時(shí)間變化的曲線如圖8和圖9所示。

(a)0°→100°展開(kāi)曲線

(b)100°→120°展開(kāi)曲線圖8 展開(kāi)試驗(yàn)曲線Fig.8 Deployment test curve

100°→0°收攏曲線圖9 收攏試驗(yàn)曲線Fig.9 Folding test curve

將鉸鏈機(jī)構(gòu)固定在模態(tài)試驗(yàn)工裝上，將基板安裝到鉸鏈機(jī)構(gòu)支耳上，鉸鏈機(jī)構(gòu)上電根據(jù)控制指令工作，驅(qū)動(dòng)基板展開(kāi)到90°并鎖定，斷電。在基板上均勻地粘貼上共15個(gè)模態(tài)測(cè)試傳感器，啟動(dòng)模態(tài)測(cè)試設(shè)備，采用錘擊法對(duì)激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行敲打，試驗(yàn)過(guò)程中輸出不同的電壓值,并由模態(tài)測(cè)試軟件分析給出試驗(yàn)結(jié)果。

鉸鏈機(jī)構(gòu)全溫范圍內(nèi)測(cè)試主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到情況如表1所示。

7 結(jié)論

本文針對(duì)某微納衛(wèi)星太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)的任務(wù)需求，提出了一種空間有源微鈉衛(wèi)星太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)工程設(shè)計(jì)方案，并完成了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

表1 主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到情況Tab.1 Main technical specifications statistics

1)本文所涉及的鉸鏈機(jī)構(gòu)達(dá)到了可重復(fù)折展鎖定、高精度位置控制、低噪聲穩(wěn)定控制和輕質(zhì)小型的目的，為后續(xù)微納衛(wèi)星太陽(yáng)翼鉸鏈機(jī)構(gòu)工程研究提供了新的思路。

2)軸承和關(guān)鍵傳動(dòng)部件固體潤(rùn)滑和整機(jī)傳動(dòng)環(huán)節(jié)間隙控制對(duì)機(jī)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性和負(fù)載能力具有重要影響，同時(shí),間隙控制對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響具有重要意義。