空間環(huán)境下的微特電機設(shè)計特點分析

顧苗苗 谷少煊

摘 ?要：微特電機近年來受到科研行業(yè)的高度關(guān)注，在利用微特電機時，應(yīng)關(guān)注不同空間環(huán)境對其的應(yīng)用要求，且不同的微特電機也會發(fā)揮出不同的功能。設(shè)計人員需要認清微特電機的應(yīng)用發(fā)展趨勢，要能夠基于提高環(huán)境觀測、氣象觀測以及數(shù)據(jù)通信等性能出發(fā)，對空間環(huán)境下微特電機進行科學設(shè)計。文章在對微特電機設(shè)計時，主要從微特電機的空間環(huán)境典型應(yīng)用和設(shè)計特點進行了深入探討。

關(guān)鍵詞：空間環(huán)境;微特電機;設(shè)計要點

中圖分類號：TM38 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0083-02

Abstract： Micro and special motors have received great attention in the scientific research industry in recent years. While using micro special motors， we must pay attention to the application requirements of different kinds of space environment， and different micro and special motors will also perform different functions. Designers need to recognize the application development trend of micro and special motors， and must be able to scientifically design micro motors in the space environment based on the improvement of the performance of environmental observation， meteorological observation， and data communication. In this paper， the design of micro motors is discussed in depth from the typical applications and design characteristics of micro motors in the space environment.

Keywords： space environment; micro and special motor; design points

伴隨著人類文明的快速發(fā)展，人類開始逐步邁入太空時代，航天器的發(fā)展不僅關(guān)系到國家航空事業(yè)的發(fā)展，更深切影響著現(xiàn)代社會生活。如地理定位、電視轉(zhuǎn)播的信號、空間試驗的軌道、載人空間站、宇宙飛船等，皆與人們的生活息息相關(guān)。近年來，我國的航天事業(yè)獲得了快速發(fā)展，航天器運動機構(gòu)在工作上需要各類有著多種功能的微特電機，在航天器中，最關(guān)鍵的構(gòu)成之一即為各類功能各異的微特電機，一個航天器需要使用到多臺電動機。如電池陣列展開驅(qū)動用電機與齒輪減速組件，展開驅(qū)動和方向調(diào)整用電機與齒輪減速機構(gòu)，空間機械臂運動用電機組件，用于控制姿態(tài)的飛輪旋轉(zhuǎn)無刷直流電機組件等。而空間環(huán)境指的是航天器外層空間飛行處于的環(huán)境，它直接影響著航天器系統(tǒng)工作狀態(tài)。空間環(huán)境中存在較多影響微特電機設(shè)計的要素，包括空間輻射、極端溫度和高真空等，基于此，在對微特電機進行應(yīng)用設(shè)計時，需要充分考慮設(shè)計要點，提高設(shè)計水準，滿足航天器的運行需求。

1 空間環(huán)境下微特電機的應(yīng)用要點

航天器中涵蓋較多的功能部件，核心功能部件的存在如發(fā)射及接收天線、太陽能電池陣列、觀測或探測器件、消旋平臺等組件都可以影響航天器的運行質(zhì)量。在航天器中，微特電機組件為驅(qū)動源，與航天器相關(guān)電機組件一起發(fā)揮效用。而航天器用電機組件主要包括主驅(qū)動電機、減速裝置、制動器、速度傳感器以及驅(qū)動控制電路等?？梢愿鶕?jù)航天器的運行需求選擇不提供的主驅(qū)動電機類型，減速裝置和其他的裝置也需要根據(jù)系統(tǒng)需求進行配置，但是都要保證系統(tǒng)具有完善的功能與較高的控制精度。微特電機在航天器中的應(yīng)用需要關(guān)注空間環(huán)境，在進行應(yīng)用時，要把握以下要點：

1.1 天線展開機構(gòu)

航天器有其自身的運動軌跡，當進入到太空的預(yù)定軌道時，可以實現(xiàn)對各類信息的收發(fā)，在進入到預(yù)定軌道時，航天器的信息發(fā)送和接收天線就會按照自動設(shè)定程序展開和伸出，而航天器的旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)中的構(gòu)成則較為復(fù)雜，主要包括混合式步進電動機、齒輪減速組件等，其中電機的作用是在減速狀態(tài)下帶動長絲桿緩慢旋轉(zhuǎn)。觀察與絲桿配套的特制螺母可知，其會在負載作用下進行直線運動，天線向外展開。而對天線展開結(jié)構(gòu)而言，存在影響其展開度的因素，即用電機組件的性能指標與可靠性，而這兩個指標也會影響航天器交互通訊質(zhì)量。

1.2 太陽能電池陣列

當航天器在運行狀態(tài)時，其正常的在軌道運行與太陽能電池陣列之間有重要關(guān)系。太陽能電池陣列可以說參與了航天器的運行全過程，在航天器發(fā)射時，太陽能電池陣列會固定特殊螺栓，此時，特殊螺栓會呈現(xiàn)收縮狀態(tài)。接著，航線器會繼續(xù)運行并達到預(yù)定軌道，固定螺栓需要經(jīng)由地面遙控進行引爆，基于獲得最大能量的要求，需要將其帆板展開并使其始終朝向太陽。航天器在運行過程中需要圍繞地球進行公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)，其可以調(diào)整自身，從而調(diào)整帆板朝向。在這個過程中，旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)會幫助帆板進行緩慢的旋轉(zhuǎn)運動，使帆板始終處于較為適宜的狀態(tài)。此外，電池陣列帆板的轉(zhuǎn)動還需要混合式步進電動機、齒輪減速組件的驅(qū)動。

1.3 光學相機、光電望遠鏡探測系統(tǒng)

對航天器的各種組件進行分析可知，構(gòu)成航天器的主要組件中還包括光學相機和光電望遠鏡探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在航天器中被稱之為載荷系統(tǒng)，其基本原理為光學和耦合原理，能夠經(jīng)過光學方式探測物體，從而將探測的信息轉(zhuǎn)換成電信號，并對其進行編碼，工作人員可以使用專用芯片，此時就可以經(jīng)由數(shù)字通信傳輸，并形成相應(yīng)的圖像。不同的光學和光電探測系統(tǒng)其工作原理不同，但是在對其進行應(yīng)用時，都需要關(guān)注光學調(diào)整與轉(zhuǎn)動掃描機構(gòu)等，在進行調(diào)焦和擺動鏡片時，則需要借助電動機組件來進行驅(qū)動。不同精度的旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)其需要采用的驅(qū)動控制方式也不同，若精度較高，則需要使用開環(huán)對步進電動機和減速齒輪組件進行控制。若精度較低，則要采用閉環(huán)對無刷直流電動機、減速和角度位置編碼器組件進行控制。

1.4 機械式消旋平臺

航天器在太空預(yù)定軌道運行時，需要向地球傳輸重要信息，此時就需要借助航天器上的天線射束，并使其射向地球。但是考慮到航天器圍繞地球進行公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)和自身調(diào)整，會導致天線射束產(chǎn)生變化。基于航天器天線射束穩(wěn)定性的要求，工程人員需要在航天器系統(tǒng)中設(shè)置消旋平臺，來穩(wěn)定天線射束的位置，并使其處于相對鎖定狀態(tài)。在航天器中常用的消旋平臺為機械式消旋平臺，其是一種含有驅(qū)動源的運動機構(gòu)。機械式消旋平臺的工作原理為對步進電動機進行控制，使其達到規(guī)定轉(zhuǎn)速，并轉(zhuǎn)換電路狀態(tài)，使其相對鎖定，關(guān)注天線射束的狀態(tài)，若沒有對準地球目標，則要在控制電機旋轉(zhuǎn)時使用鎖相電路，確保天線射束與地球目標對準。

2 空間環(huán)境下的微特電機設(shè)計要點

微特電機的應(yīng)用前景十分廣闊，在進行設(shè)計時，需要把握空間環(huán)境對微特電機性能、結(jié)構(gòu)及材質(zhì)的特殊要求。在空間環(huán)境下設(shè)計微特電機時，設(shè)計人員需將電機運行可靠性作為設(shè)計要點，具體設(shè)計要求如下：

2.1 材料選擇

對空間環(huán)境下的微特電機的應(yīng)用進行設(shè)計，設(shè)計人員需要在選擇材料時尤其關(guān)注材料質(zhì)量。首先需要關(guān)注材料的氣體逸出率，越低越好。在對具體的材料進行選擇時，需要按照相關(guān)規(guī)定關(guān)注材料逸出氣體量的相關(guān)指標，主要包括TML（質(zhì)量損失比）不大于1%和CVCM（再凝縮物質(zhì)量比）不大于0.1%;其次在選擇材料時，還要關(guān)注材料的熱傳導性能。材料需具有對溫度周期變化導致的溫度應(yīng)力變化的適應(yīng)能力，一般要選用溫度范圍在-55℃～+125℃的材料。此外，也要關(guān)注材料對極限溫度的適應(yīng)性;最后在選擇材料時，必須要選擇耐輻射材料。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于空間環(huán)境的基本特性進行微特電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要關(guān)注微特電機自身的特性，主要包括體積小、重量輕、高性能和高可靠性等。此外，還需在對微特電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮其應(yīng)用在航天器中能夠抵抗較大的變形沖擊。以步進電動機結(jié)構(gòu)為例，其具有較為復(fù)雜的定子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)需要在支撐軸承的同時對轉(zhuǎn)子進行支撐，需要其具備能夠抵抗溫度與機械應(yīng)力的穩(wěn)定運行能力?；谖⑻仉姍C的應(yīng)用趨勢而言，在進行設(shè)計時，需要關(guān)注在特殊環(huán)境條件下材料變形以及機械尺寸變化條件下微特電機應(yīng)用性能的改善研究。

2.3 熱設(shè)計

航天器在真空環(huán)境中運行時，其電機損耗會不斷產(chǎn)生熱量，機械摩擦也會產(chǎn)生熱量，對于航天器的進一步穩(wěn)定運行而言，其需要具備性能較好的散熱設(shè)備，但是僅局限在熱傳導和熱輻射兩種，這兩重散熱方式散熱速度較慢，考慮到航天器是個不等溫體，存在較大的溫度梯度，較大的熱場變化會影響電機的工作穩(wěn)定性。基于電機穩(wěn)定工作的要求，在進行設(shè)計時，需要加深在真空環(huán)境下航天器微特電機的仿真實驗，研究出具有更高效益的散熱系統(tǒng)。

2.4 軸承潤滑技術(shù)執(zhí)行設(shè)計

微特電機在真空環(huán)境下的運行需要依托軸承才能得以正常運轉(zhuǎn)，要選用科學的軸承潤滑方式，采用科學的軸承潤滑技術(shù)。在針對軸承潤滑技術(shù)進行執(zhí)行設(shè)計時，設(shè)計人員需要對軸承結(jié)構(gòu)和尺寸精度進行嚴格把控，確保采用符合標準規(guī)范的安裝技術(shù)，并積極對微特電機固體潤滑軸承的應(yīng)用技術(shù)進行全面研究，提高其使用效率，延長其使用壽命。

2.5 開展極限溫度下產(chǎn)品設(shè)計研究

深空極限溫度通常在-150℃～+150℃，因此，航天類產(chǎn)品在設(shè)計上應(yīng)保證且在深空中能夠適應(yīng)其中的低空環(huán)境，切實提升航天產(chǎn)品的深空耐受力，航天器艙外運行需要配備微特電機，以此，微特電機表面溫度有著極大的跨度，所以為保證維特電機的有序運行，必須做好其在極限溫度下的技術(shù)研究。

2.6 產(chǎn)品工藝技術(shù)

從過去的實踐經(jīng)驗來看，產(chǎn)品加工及裝配工藝也關(guān)系到微特電機的工作實效。對此，還應(yīng)對電機加工及總裝工藝進行研究，確定總裝設(shè)計，開發(fā)定位工裝夾具，從而提升裝配精度，繼而降低空載損耗。

3 結(jié)束語

航天事業(yè)的發(fā)展與科學技術(shù)的進步有重要聯(lián)系，對于當前的航天事業(yè)而言，需要高度關(guān)注微特電機的應(yīng)用，同時要關(guān)注空間環(huán)境對微特電機設(shè)計的影響。設(shè)計人員需要對微特電機在航天器中的具體應(yīng)用進行分析，把握應(yīng)用要點，在此基礎(chǔ)上進行科學的設(shè)計，形成完整的設(shè)計方案。而在進行具體設(shè)計時，則要對材料進行科學選擇，要加強對結(jié)構(gòu)、熱能、軸承潤滑技術(shù)執(zhí)行等設(shè)計的研究，確保微特電機能夠在航天器組件中發(fā)揮應(yīng)有的效用。

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