應(yīng)用于核能衰變微推進(jìn)控制的驅(qū)動設(shè)計

徐 飛 夏 彥 何世熠 肖文磊 劉國青

1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室，北京 100094 3.西北核技術(shù)研究所，西安 710024 4.北京航空航天大學(xué)，北京 100083

核能衰變微推進(jìn)的原理是利用重核α衰變時向空間方向射出的高速粒子形成反推力?；谠撛淼目臻g推進(jìn)技術(shù)具有高比沖、無需推進(jìn)劑及結(jié)構(gòu)簡單的特點，具有特殊的應(yīng)用價值。同樣是無需推進(jìn)劑的微推進(jìn)技術(shù)，目前最主要的研究就是太陽帆技術(shù)，國內(nèi)北理工、清華和中科院等單位對此作了很多研究[1-3]，但是對于α衰變推進(jìn)的研究不多[4]。

利用α粒子微推進(jìn)原理研制的微推進(jìn)器，可安裝在航天器上作為無拖曳飛行的推力器[5]，無拖曳飛行技術(shù)是對航天器的推力精度要求最高的，其廣泛用于深空探索[6]、重力場測量[7]等領(lǐng)域，國內(nèi)哈工大等航天單位也對無拖曳技術(shù)有著深入研究[8]，通過微推力器的推力抵消航天器在空間環(huán)境受到的各種干擾力，包括殘余大氣阻力、磁場以及太陽光壓等[9]。α粒子微推進(jìn)的概念早在上世紀(jì)就有意大利學(xué)者研究過[10]，國內(nèi)的學(xué)者近年來也有類似的研究，但主要的空間核能應(yīng)用還是圍繞核反應(yīng)堆提供能量[11-12]，而本文只利用核素的α衰變發(fā)射的高速粒子產(chǎn)生推力，這與前者的核能原理有本質(zhì)的不同。本文的推進(jìn)控制驅(qū)動設(shè)計就是要將α衰變原理發(fā)展成可操作的微推進(jìn)器技術(shù)。

鑒于α衰變的自身特性，針對無拖曳飛行技術(shù)對于微推進(jìn)器的需求，本文研究了α粒子推進(jìn)控制的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了初步的性能分析。

1 α衰變推力薄膜

α粒子穿透性很弱，210Po衰變的α粒子在穿透自身Po金屬的射程僅為23.4μm。因此只能采用薄膜結(jié)構(gòu)才能做到推力的產(chǎn)生。薄膜里超過射程深度處產(chǎn)生的α粒子幾乎不可能射出薄膜，也就沒有推力，推力薄膜的厚度只能小于射程，并采用銀基底阻擋α粒子向另一半空間發(fā)射，結(jié)構(gòu)如圖1所示。作者課題組經(jīng)過理論計算認(rèn)為，構(gòu)成α粒子微推進(jìn)器的薄膜理論推力可達(dá)到0.03μN/cm2，具體的理論推導(dǎo)過程可參閱本研究組的相關(guān)論文，在此不再敘述。

圖1 α粒子推力薄膜結(jié)構(gòu)示意圖

2 超聲電機(jī)驅(qū)動設(shè)計

超聲電機(jī)(ultrasonic motor, USM)是20世紀(jì)80年代開始逐漸發(fā)展起來的一種新型的微特電機(jī)，其主要工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在超聲頻段內(nèi)激發(fā)彈性體(壓電定子)的微幅高頻共振(共振頻率一般為20～100kHz)，并且通過定子和轉(zhuǎn)子(動子)之間的摩擦作用將振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動子)的旋轉(zhuǎn)(直線)運動，由此實現(xiàn)功率輸出而驅(qū)動負(fù)載。相比傳統(tǒng)的電磁電機(jī)而言，超聲電機(jī)具有低速大推力、精度高、便于小型化、響應(yīng)速度快、斷電自鎖、不需要傳動減速裝置、勿需潤滑、電磁兼容性與低溫真空環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)及噪聲低等優(yōu)點，因此在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以上特點決定了其應(yīng)用于α粒子推進(jìn)控制是個極佳的選擇。

2.1 環(huán)形超聲電機(jī)驅(qū)動光闌

超聲光闌方案主要采用了超聲電機(jī)驅(qū)動的光闌結(jié)構(gòu)完成通光(輻射)孔的開度控制功能，其基本工作原理與佳能的EF鏡頭類似，如圖2所示。

圖2 在佳能相機(jī)的EF鏡頭中使用的超聲電機(jī)與光闌

2.1.1 光闌工作原理

在光學(xué)成像系統(tǒng)中，光闌被定義為一個中心與光軸重合且垂直光軸放置的通光孔屏，孔的形狀一般為圓形，由作為屏障的金屬薄片和作為邊緣的金屬框來組合實現(xiàn)。如果通光孔的大小可以調(diào)節(jié)，這樣的光闌稱為可變光闌。在光學(xué)器件中有多種可實現(xiàn)可變光闌的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中最常見的一種是彩虹光闌(如圖3)。其基本結(jié)構(gòu)主要由活動環(huán)、固定環(huán)和光闌葉片(多片)構(gòu)成，由于葉片的一端通過固定銷釘與固定環(huán)固結(jié)，另一端通過活動銷釘與活動環(huán)聯(lián)動，所以活動環(huán)的轉(zhuǎn)動可以帶動其上的葉片旋動，而不同的轉(zhuǎn)動方向則分別對應(yīng)通光圓孔的張開或閉合。

圖3 彩虹光闌的基本結(jié)構(gòu)及其裝配示意圖

依照《光學(xué)儀器設(shè)計手冊》，我們可以根據(jù)最大/最小通光孔直徑以及限制機(jī)構(gòu)外形尺寸的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，來設(shè)計光闌葉片的形廓參數(shù)，包括內(nèi)/外曲率半徑、銷釘孔所在圓周半徑、兩銷釘孔對中心張角、光闌葉片的數(shù)目和光闌片厚度等。

2.1.2 環(huán)形超聲電機(jī)的工作原理

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)(TRUM)是一類比較有代表性和目前獲得較多應(yīng)用的超聲電機(jī)，主要包含2大構(gòu)件，即如圖4所示的定子(基體)和轉(zhuǎn)子，通過一定的預(yù)壓力將轉(zhuǎn)子緊壓在定子上，為它們之間的摩擦傳動提供必要的正壓力。工作時在壓電陶瓷上施加在超聲頻段內(nèi)的兩相(A相和B相)具有一定相位差的同額、等幅的正弦交流電壓，在定子中激發(fā)出行波，從而將電能轉(zhuǎn)換為定子的超聲振動，再利用接觸摩擦機(jī)理將定子的高頻微幅振動規(guī)整成為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動并帶動負(fù)載，整個過程實現(xiàn)了從電能輸入到機(jī)械能輸出的能量轉(zhuǎn)換。

圖4 行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2.1.3 環(huán)形超聲電機(jī)驅(qū)動光闌設(shè)計

基于超聲電機(jī)的優(yōu)點，本研究采用行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動可變光闌活動環(huán)的方案來實現(xiàn)對光闌通孔開閉的高效控制。由于旋轉(zhuǎn)電機(jī)本身與環(huán)形負(fù)載之間的相互配合性使得整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊?？勺児怅@與旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的裝配一體圖如圖5所示，整體系統(tǒng)的裝配結(jié)構(gòu)剖面示意簡圖如圖6所示。

圖5 超聲電機(jī)驅(qū)動光闌工作模塊

如圖5所示，光闌與超聲電機(jī)均為圓環(huán)形疊層結(jié)構(gòu)，二者一起位于核能推力薄膜的正上方，光闌在上，超聲電機(jī)在下。光闌及光闌葉片能夠?qū)崿F(xiàn)中間圓孔的打開與關(guān)閉，由行波型旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動。在本研究算例中，驅(qū)動裝置全高12.5mm，外圓直徑87.4mm；核動力薄膜直徑60mm，厚度10μm；光闌最大孔徑60mm，最小孔徑0mm，葉片數(shù)11片，全開全閉所需旋轉(zhuǎn)角度為96.35°。

因此參照上文推力薄膜0.03μN/cm2的標(biāo)準(zhǔn)，最大推力可達(dá)到0.85μN，最小推力為0。超聲電機(jī)驅(qū)動光闌可精確停止定位，理論上可實現(xiàn)光闌的孔徑大小連續(xù)可調(diào)，相應(yīng)的動力大小可在0～0.85μN之間任意調(diào)整。本系統(tǒng)光闌葉片材質(zhì)選取304不銹鋼，電機(jī)材料為PZT鋯鈦酸鉛。

光闌開關(guān)采用對旋方式工作，電機(jī)動子正轉(zhuǎn)，光闌反轉(zhuǎn)打開，通道擴(kuò)大，推力薄膜提供的推力變大；電機(jī)動子反轉(zhuǎn)，光闌正轉(zhuǎn)關(guān)閉，通道縮小，推力薄膜提供的推力變小。光闌一是為推力薄膜提供裸露面積，二是在旋轉(zhuǎn)過程中保持推力器角動量守恒，在航天器上不會引起星本體角動量變化，從而避免了航天器做額外的消旋與消振，相較傳統(tǒng)航天器推力控制方式具有獨特優(yōu)勢。

2.2 直線型超聲電機(jī)驅(qū)動對開式開關(guān)

直線型超聲電機(jī)作為超聲電機(jī)的一個分類，也是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)和彈性體的超聲振動，通過定子和動子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動轉(zhuǎn)換成動子宏觀的直線運動，直接推動負(fù)載[13-16]。它除了具有旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的一般特點外，還具有以下特點[17]：

1)直接產(chǎn)生直線運動和牽引力；

2)由于沒有連桿、滾珠絲杠、繩帶等輔助機(jī)構(gòu)帶來的誤差，所以其定位精度和速度控制精度高，可達(dá)納米量級；

3)結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)小型化、輕量化。

2.2.1 直線型超聲電機(jī)原理

直線超聲電機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作原理見圖7，在兩組極化方向相反的壓電陶瓷元件上分別施加AB兩相相位差為π/2的同頻率(超聲頻段內(nèi))、等幅交變電壓。通過壓電陶瓷元件的逆壓電效應(yīng)，可在定子的模態(tài)頻率上激發(fā)出模態(tài)響應(yīng)，一個是一階縱振位移響應(yīng)，一個是二階彎振位移響應(yīng)，二者在時間上存在π/2的相位差，此外，在二階彎振的振幅處，二階彎振位移和一階縱振位移方向始終相互垂直，即對于二階彎振波幅處的驅(qū)動足上的2個位移響應(yīng)在空間上亦存在π/2的相位差，所以位于二階彎振波幅處的驅(qū)動足上可形成橢圓運動軌跡。如果此時在轉(zhuǎn)子上施加一定的預(yù)壓力，通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用，定子表面質(zhì)點的微幅振動就會轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動[10]。

圖7 直線型超聲電機(jī)定子的工作機(jī)理

2.2.2 對開式開關(guān)設(shè)計

本文設(shè)計了對開式開關(guān)，如圖8所示，左右各一個駐波直線型超聲電機(jī)，分別控制左右兩側(cè)擋板的移動，超聲電機(jī)驅(qū)動電源線在推進(jìn)器背面引出。電機(jī)的摩擦片布置在擋板的中間，與電機(jī)相接觸的一面。擋板在基座內(nèi)直線滑動，基座上下各有一道凹槽，擋板邊緣嵌入其中，用于限位。中央核能推力面元為正方形，四周均設(shè)計了1～2cm的高度，用于防止粒子向左右兩側(cè)發(fā)射逸出。理論上，擋板遮擋的動力薄膜面大小連續(xù)可調(diào)，相應(yīng)的動力大小即可任意調(diào)整。實際應(yīng)用中，超聲電機(jī)的控制精度決定動力大小的控制精度，為了保證推力的中心軸位置不變，采用2組超聲電機(jī)伺服驅(qū)動器實現(xiàn)對兩側(cè)擋板移動的高效協(xié)同控制，保證兩側(cè)擋板同時開閉，同時保證系統(tǒng)的總動量為0。

圖8 對開式平移開關(guān)微推進(jìn)器

α微推進(jìn)器全高為3mm，推力薄膜面積規(guī)格為30mm×30mm，左右兩邊配置駐波超聲電機(jī)，對應(yīng)的摩擦帶長度為15.5mm，左右兩側(cè)擋板尺寸為19.25mm×30mm×0.5mm，材料為聚酰亞胺?；牧蠟橛蹭X合金2A12，電機(jī)材料為PZT鋯鈦酸鉛。參照上文推力薄膜0.03μN/cm2的標(biāo)準(zhǔn)，該微推進(jìn)器的推力范圍為0～0.27μN。本案例中，當(dāng)電機(jī)對擋板的位移控制精度優(yōu)于1.1mm時，即可達(dá)到0.1μN的推力控制精度。

此微推力器在立方星上做阻力補償?shù)母拍顖D如圖9所示。

圖9 α微推進(jìn)器在立方星上阻力補償?shù)母拍顖D

2.3 兩種驅(qū)動設(shè)計的矢量推力分析

環(huán)形超聲電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)緊湊，光闌開閉所需空間很小，二者結(jié)合即能實現(xiàn)多項密集排布，即可實現(xiàn)多個推力薄膜以不同角度各自獨立工作。而對于直線型超聲電機(jī)驅(qū)動對開式開關(guān)，則不便于密集排布的布局，可以考慮在航天器的不同位置布置多個推力裝置，實現(xiàn)高精度矢量合成控制。

3 結(jié)論

設(shè)計了α粒子推進(jìn)器基本控制結(jié)構(gòu)，包括環(huán)形和直線型2種。思想是將衰變核素構(gòu)成的推力薄膜用面積遮擋的方式進(jìn)行推力控制，超聲電機(jī)驅(qū)動光闌的設(shè)計對于α粒子的出射具有自旋穩(wěn)定，角動量守恒的優(yōu)勢，同時緊湊的結(jié)構(gòu)適用于多推力器矢量集成。而直線型電機(jī)直接產(chǎn)生驅(qū)動力，其定位和速度控制精度更高，也即具有更高精度的α粒子推力控制。后續(xù)將圍繞環(huán)形超聲電機(jī)驅(qū)動光闌設(shè)計矢量推進(jìn)器，圍繞直線型電機(jī)定位精度高的特點展開實驗驗證，實測開關(guān)的運動數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出α粒子推力器的相關(guān)參數(shù)。