航天器超靜平臺作動器發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)綜述

葉田園，龐賀偉，周元子，宗 紅，劉守文

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 航天機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗(yàn)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 中國空間技術(shù)研究院； 4. 北京控制工程研究所：北京 100094）

0 引言

當(dāng)前天基天文觀測、高分辨率對地觀測等航天任務(wù)對航天器的控制精度提出了極高的要求。星上太陽電池陣的驅(qū)動、動量輪的轉(zhuǎn)動以及制冷機(jī)工作等引起的低頻振動和高頻抖動會嚴(yán)重影響衛(wèi)星的指向精度和穩(wěn)定度。為了保證激光通信設(shè)備、空間相機(jī)、太空望遠(yuǎn)鏡等敏感設(shè)備的任務(wù)可靠性，必須為其提供超靜的工作環(huán)境，采用合理技術(shù)手段減小航天器外部振動及內(nèi)部擾動向有效載荷的傳遞。在星體和載荷之間增加一級具備振動隔離和精確指向能力控制系統(tǒng)的多級復(fù)合控制方案被認(rèn)為是一項(xiàng)“多贏”的技術(shù)。自20 世紀(jì)90 年代以來，國外便開始了該方案技術(shù)的研究，研制出一種具有高精度指向并能消除振動噪聲的有效載荷控制平臺，稱為“超靜平臺”。其中，作動器是關(guān)鍵核心部件，決定了超靜平臺的性能、可靠性和使用壽命。系統(tǒng)地研究作動器在航天器超靜平臺上的應(yīng)用及發(fā)展，并提煉相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，對推動高精度高穩(wěn)定度航天器的發(fā)展至關(guān)重要。

本文對現(xiàn)有的航天器超靜平臺作動器進(jìn)行綜述，分析其主要技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，并針對其在軌應(yīng)用涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并對今后研究方向提出建議，旨在為我國航天器超靜平臺的發(fā)展提供支撐。

1 國內(nèi)外研究概況

自20 世紀(jì)90 年代，超靜平臺作動器就作為航天器精密光學(xué)載荷的驅(qū)動執(zhí)行及支撐部件被研究并逐步開展空間應(yīng)用，如美國Honeywell、CSA 等公司，以及一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)相繼進(jìn)行了大量的理論研究、地面試驗(yàn)驗(yàn)證及在軌試驗(yàn)。典型的航天器超靜平臺系統(tǒng)采用多個(gè)并聯(lián)的作動器構(gòu)成Stewart 平臺，如圖1 所示。超靜平臺作動器需能穩(wěn)定且精確地輸出控制所需的力和位移，并具備減/隔振功能。

圖1 超靜平臺結(jié)構(gòu)示意[1]Fig. 1 Schematic diagram of ultra-quiet platform[1]

航天器超靜平臺作動器由驅(qū)動源部件、隔振部件、測量部件及結(jié)構(gòu)部件等組成。超靜平臺控制器根據(jù)作動器檢測的反饋調(diào)節(jié)控制參數(shù)對振動進(jìn)行抑制和補(bǔ)償，通過驅(qū)動部件輸出力和位移實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的主動控制或精確指向功能，并結(jié)合隔振部件構(gòu)成主被動一體化減/隔振系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)多自由度微振動全頻帶隔離及精確指向定位功能。從驅(qū)動部件的類型來看，航天器超靜平臺作動器主要分為智能材料驅(qū)動和電磁驅(qū)動2 種。

1.1 智能材料作動器

智能材料撓性作動器一般采用壓電陶瓷或磁致伸縮部件作為驅(qū)動部件，其特點(diǎn)為定位精度高且動態(tài)響應(yīng)性能好，振動控制效果好，但一般作動行程較小，不具備較大范圍的精確指向功能。

CSA 公司在2000 年研制出基于壓電作動器的衛(wèi)星超靜隔離技術(shù)試驗(yàn)（Satellite Ultraquiet Isolation Technology Experiment, SUITE）系統(tǒng)，用于驗(yàn)證空間敏感有效載荷的減振效果。SUITE 由6 個(gè)壓電驅(qū)動作動器組成六桿裝配組件（Hexapod assembly,HXA）Stewart 平臺結(jié)構(gòu)（如圖2 所示）。

圖2 SUITE 作動器及其結(jié)構(gòu)[10]Fig. 2 SUITE actuator and its structure[10]

SUTE 作動器的被動隔振部件是一個(gè)阻尼式柔性元件，能夠?qū)崿F(xiàn)大約20 Hz 以上的中高頻隔振。其柔性元件設(shè)計(jì)是“三明治”式的，由內(nèi)到外分別為鈹銅層、黏彈性材料層和鈹銅約束層。HXA 作動器行程達(dá)到±15 μm，角度調(diào)節(jié)范圍±1.25 μrad。2001 年9 月，在美國空軍“空間試驗(yàn)計(jì)劃”（STP）的資助下，SUITE 搭載PICOSat 航天器開展了飛行試驗(yàn)，其質(zhì)量占航天器總質(zhì)量的25%。

2002 年，Honeywell 公司與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）共同研制了能與不同航天器平臺適配的微型隔振系統(tǒng)（Miniaturized Vibration Isolation System-II, MVIS-II）。其作動器由Honeywell 的D-Strut與液壓放大的壓電作動器串聯(lián)構(gòu)成。DStrut采用了錐形環(huán)面調(diào)節(jié)環(huán)流間隙的方案，如圖3 所示，可在頻率范圍0.1～10 Hz 根據(jù)共振峰要求進(jìn)行阻尼調(diào)節(jié)，可根據(jù)內(nèi)置黏性阻尼流體壓力的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)被動部件中的流體壓力，達(dá)到主被動混合隔振的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 D-StrutTM 結(jié)構(gòu)示意（總長5 inch）[5]Fig. 3 Schematic diagram of D-StrutTM, with overall length of 5 inch[5]

MVIS-II 作動器（見圖4）行程達(dá)到0.076 2 mm，與原始的D-Strut 相比，作動器尺寸減小了90%、質(zhì)量減小了91% 。MVIS-II 于2006 年12 月搭載于戰(zhàn)術(shù)星TacSat-2 發(fā)射。

圖4 MVIS-II 作動器及其結(jié)構(gòu)[12]Fig. 4 MVIS-II actuator and its structure[12]

此外，CSA 公司的UQP 平臺、比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)（ULB）的SSP 平臺，以及我國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院等研究的天基Stewart平臺隔振系統(tǒng)均采用了壓電陶瓷撓性作動器。

相對于壓電陶瓷材料，磁致伸縮材料具有能量轉(zhuǎn)換效率高、彈性模量隨磁場變化可調(diào)控、響應(yīng)時(shí)間短、應(yīng)變大且應(yīng)變時(shí)輸出力大、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。北京航空航天大學(xué)研制的磁致伸縮作動器（如圖5 所示）采用了目前最為常見的磁致伸縮材料三元稀土合金TbDyFe，作動器內(nèi)部磁場隨著線圈電流發(fā)生變化，通過TbDyFe 芯棒形變控制輸出位移和輸出力。該作動器雙向輸出行程±35 μm，共振頻率激勵下振動衰減達(dá)30 dB。

圖5 北航研制的磁致伸縮作動器及其結(jié)構(gòu)[18]Fig. 5 Themagnetostrictive actuator developed by Beihang Universityand its structure[18]

此外，美國IAI 公司的HAVI 平臺以及德雷珀實(shí)驗(yàn)室、哈里斯公司、瑞士電子及微技術(shù)中心等機(jī)構(gòu)研制的隔振平臺均采用了相應(yīng)的磁致伸縮作動器。

1.2 電磁驅(qū)動作動器

Honeywell 公司在1999 年研制了振動隔離和抑制系統(tǒng)（Vibration Isolation and Suppression System,VISS），以控制星上制冷機(jī)對紅外望遠(yuǎn)鏡的擾動。如圖6 所示，VISS 由6 個(gè)混合式隔振作動器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)六自由度的被動隔振、主動抑振及精確指向。被動部分采用Honeywell 公司已飛行驗(yàn)證的D-Strut部件，頻率為2～5 Hz，主要提供中高頻段的振動隔離。主動部分采用與被動系統(tǒng)并聯(lián)的音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)低頻部分的主動振動控制。VISS 作動器輸出力9.8 N，行程±1 mm，功率3.5 W，質(zhì)量1.13 kg，尺寸101 mm×127 mm×203 mm。VISS 系統(tǒng)搭載在TSX-5 衛(wèi)星上于2000 年4 月發(fā)射。

圖6 VISS 作動器及其結(jié)構(gòu)[24]Fig. 6 The VISS actuator and its structure[24]

2007 年，Honeywell 公司以面向質(zhì)量在百千kg級的大型有效載荷，實(shí)現(xiàn)航天器敏感有效載荷低共振拐點(diǎn)頻率隔振及有效載荷平臺抑振為研制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了隔振、指向、抑制（Isolation, Pointing, and Suppression, IPS）系統(tǒng)。IPS 作動器（如圖7 所示）的硬件很大程度延續(xù)了VISS 的設(shè)計(jì)，仍采用主動音圈作動器并聯(lián)D-Strut部件的結(jié)構(gòu)，但是不同之處在于IPS 的主動部分采用了兩級音圈設(shè)計(jì)。主線圈的數(shù)量多、尺寸大，用于提供大幅值“粗糙”驅(qū)動的輸入；二級線圈將主線圈的噪聲降低到允許的范圍內(nèi)。此外，二級線圈也能夠獨(dú)立完成小幅值力的輸出。IPS 作動器最大輸出力338 N，行程±0.25 mm，功率＜300 W，質(zhì)量＜15.9 kg，總長度660 mm。

圖7 IPS 作動器及其結(jié)構(gòu)[25]Fig. 7 The IPS actuator and its structure[25]

APSI（Active/Passive Spacecraft Isolator）是諾斯羅普–格魯曼公司為ACCESS 衛(wèi)星Hexapod 望遠(yuǎn)鏡研制的隔振指向平臺，其主要功能是通過被動隔振抑制高頻抖動、主動隔振實(shí)現(xiàn)中頻衰減、指向控制實(shí)現(xiàn)低頻域精確指向。如圖8 所示，APSI 平臺采用音圈作動器，峰值作動力127 N，行程±7 mm，可實(shí)現(xiàn)有效載荷±4°的指向調(diào)節(jié)。

圖8 APSI 作動器及其結(jié)構(gòu)[26]Fig. 8 The APSI actuator and its structure[26]

比利時(shí)自由大學(xué)（ULB）研制了一種撓性隔振平臺（如圖9 所示），作動器采用音頻線圈主動驅(qū)動方式，通過無間隙的柔性鉸鏈與上平臺實(shí)現(xiàn)軟連接，并由力傳感器實(shí)時(shí)測量輸出力。該作動器行程±0.7 mm，最大輸出力2.7 N。

圖9 ULB 的作動器及其結(jié)構(gòu)[27]Fig. 9 The actuator developed by ULB and its structure[27]

Hood Technology 公司和華盛頓大學(xué)（UW）針對噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的未來天基干涉儀SIM 項(xiàng)目研制了指向隔振平臺（如圖10 所示）。該平臺作動器通過膜片彈簧的軸向撓度實(shí)現(xiàn)基頻3 Hz，作動器驅(qū)動行程達(dá)到10 mm，相比其他隔振機(jī)構(gòu)的行程增加了1 個(gè)數(shù)量級，基于大行程、大氣隙的音圈作動器實(shí)現(xiàn)大角度指向和振動抑制。

圖10 HT/UW 的指向隔振平臺作動器及其結(jié)構(gòu)[28]Fig. 10 The actuator developed by HT/UW and its structure[28]

1.3 小結(jié)

傳統(tǒng)的被動隔振結(jié)構(gòu)簡單且不需要提供外部能源，但是在低頻段，當(dāng)外部擾動頻率接近隔振器固有頻率時(shí)，會產(chǎn)生較大的諧振峰，擾動被放大。主動隔振具有更好的隔振性能，但是在帶寬和能耗方面存在一定的局限性。航天器超靜平臺作動器采用主被動混合隔振的方案，一方面通過主動控制降低被動隔振的諧振峰，而不是以損失高頻隔振性能為代價(jià)來一味增大阻尼，可合理有效地提升系統(tǒng)的低頻隔振性能；另一方面可以在高頻段充分發(fā)揮被動隔振的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)全頻段有效隔振，兼顧隔振效果和系統(tǒng)能耗。

作動器主動部分的種類很多，如表1 所示，目前針對航天器超靜平臺應(yīng)用較多的主要為音圈電機(jī)作動器和壓電陶瓷作動器。音圈電機(jī)作動器行程較大，可達(dá)到mm 級，但存在能量密度小以及可能帶來電磁兼容性和高熱耗等問題。壓電陶瓷作動器具有剛度大、頻帶寬等優(yōu)勢，但行程較小，輸出位移大多為數(shù)十μm 級。具體應(yīng)用還需結(jié)合航天器型號任務(wù)特點(diǎn)，選擇行程范圍、輸出力等性能指標(biāo)更貼合任務(wù)需求的作動器。

表1 典型超靜平臺作動器匯總Table 1 Types of actuators for ultra-quiet platform

航天器超靜平臺作動器內(nèi)部引入被動隔振部件，通過自身的儲能或耗能將振動帶來的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，從而起到振動隔離的作用。針對航天器結(jié)構(gòu)和任務(wù)特點(diǎn)的不同，被動隔振部件的構(gòu)型復(fù)雜多樣，一般采用流體阻尼、黏彈材料、撓性體或它們的組合構(gòu)成。其工作原理主要有以下2 種：1）增加作動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的阻尼，也就是在作動器內(nèi)部附加黏彈材料或并聯(lián)黏性流體等其他形式的阻尼器，以抑制傳遞到有效載荷的振動能量；2）降低作動器特定方向的剛度，采用金屬彈簧、橡膠等支撐的彈性元件撓性體，代替原結(jié)構(gòu)或與原結(jié)構(gòu)串聯(lián)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

超靜平臺作動器的關(guān)鍵技術(shù)涉及作動器各部件設(shè)計(jì)、研制與驗(yàn)證等技術(shù)，滿足超靜平臺在軌工作所需的行程、輸出力、功耗、質(zhì)量和壽命等關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，主要可概括為高效率音圈電機(jī)技術(shù)、長壽命撓性元件技術(shù)，另外在地面對設(shè)計(jì)指標(biāo)及功能性能進(jìn)行驗(yàn)證還涉及地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)。

2.1 高效率音圈電機(jī)技術(shù)

音圈電機(jī)是直流電機(jī)的一種，由永磁體、線圈及鐵芯等部件組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、精度高、線性好等優(yōu)點(diǎn)。

音圈電機(jī)可實(shí)現(xiàn)電功率到線性力的轉(zhuǎn)換，并獨(dú)立地或結(jié)合柔性元件實(shí)現(xiàn)作動器直線位移輸出。其輸出的控制力最終將實(shí)現(xiàn)超靜平臺的主動抑振和指向調(diào)節(jié)，因此電機(jī)需滿足超靜平臺所需的控制力、位移和精度要求。應(yīng)用于航天器超靜平臺的音圈電機(jī)需具備以下特點(diǎn)：

1）輕量化。為保證快速響應(yīng)特性，需要在滿足力電性能的前提下盡可能減少音圈電機(jī)運(yùn)動部分的質(zhì)量及慣量。

2）低功耗。音圈電機(jī)安裝在作動器內(nèi)部，在軌工作時(shí)的散熱環(huán)境較差，因此需盡量提高電機(jī)能效，減小所需的電流，降低作動器主動控制工作的熱耗。

3）大間隙。作動器主動控制工作模式下，可能發(fā)生多個(gè)自由度耦合運(yùn)動，這就要求音圈電機(jī)內(nèi)部間隙足夠大，以避免發(fā)生碰撞摩擦。

根據(jù)安培力原理，動子電磁力為=×××，式中：為線圈匝數(shù)；為工作氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；為導(dǎo)線中通入的電流，A；為單根導(dǎo)線的有效長度，m。由此可見，輕量化、低功耗、大氣隙的要求與實(shí)現(xiàn)高力系數(shù)、高效率之間的矛盾是音圈電機(jī)應(yīng)用于航天器超靜平臺作動器的主要技術(shù)難點(diǎn)。

音圈電機(jī)典型的應(yīng)用領(lǐng)域有光學(xué)系統(tǒng)、半導(dǎo)體設(shè)備、振動控制、直線壓縮機(jī)和控制閥，以及機(jī)械加工等方面。音圈電機(jī)按磁路結(jié)構(gòu)的不同可分為內(nèi)磁型和外磁型、軸向型和徑向型、短氣隙型和長氣隙型；根據(jù)運(yùn)動部件、彈性元件和線圈形狀的差別，可分為動圈型和動磁型、MF 型和MFK 型、圓筒型方塊型和平板型。音圈電機(jī)的設(shè)計(jì)通?？捎墒褂梅礁鶕?jù)規(guī)格要求自行設(shè)計(jì)和制造。一方面，采用盡可能少的永磁體研制高磁通密度的均勻氣隙磁場；另一方面，在滿足性能指標(biāo)的條件下，盡量減小電機(jī)的體積和質(zhì)量，最終達(dá)到提高能量轉(zhuǎn)換效率和快速響應(yīng)能力的目的。在控制方面，由于不同音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)差異以及性能要求不同，所以必須采用相應(yīng)靈活的控制策略，以獲得良好的控制效果。面向超靜平臺應(yīng)用場合，需不斷開展大動力、高效率和低功耗音圈電機(jī)的技術(shù)攻關(guān)，使其在力、熱等方面具有更好的適應(yīng)性，提高超靜平臺作動器的主動控制能力。

2.2 長壽命撓性元件技術(shù)

作為超靜平臺作動器內(nèi)部的彈性支承，撓性元件需要在綜合實(shí)現(xiàn)低剛度、大變形和低應(yīng)力的同時(shí)，適應(yīng)空間應(yīng)用復(fù)雜工況（發(fā)射振動、冷熱交變和不間斷工作）。

撓性元件是作動器內(nèi)部承受在軌長壽命工作應(yīng)力的核心部件，它的運(yùn)動壽命直接決定了作動器乃至超靜平臺的壽命，因此對撓性元件的材料選擇要綜合考慮材料的彈性模量、強(qiáng)度、硬度、泊松比等力學(xué)性能，密度、導(dǎo)電性等物理性能，以及成本和加工工藝等因素，如：1）密度低、彈性模量高、彈性極限大，以提高非隔振方向的剛度；2）熱膨脹系數(shù)小以減小熱變形；3）疲勞極限高以保證在軌長壽命。

鈹青銅因具有較高的屈服強(qiáng)度、非磁性以及較低的加工殘余應(yīng)力而被多數(shù)研究機(jī)構(gòu)選用為撓性元件的材料。同時(shí)隨著智能材料的發(fā)展，也有學(xué)者提出將智能結(jié)構(gòu)中的功能材料特性引入作動器撓性元件設(shè)計(jì)，使作動器的剛度可根據(jù)所承受的載荷做出調(diào)整，這也是航天器超靜平臺作動器后續(xù)發(fā)展的重要方向。

作動器內(nèi)部撓性元件的結(jié)構(gòu)特性應(yīng)滿足以下條件：1）較低的主隔振方向剛度，以實(shí)現(xiàn)合適的拐點(diǎn)頻率；2）轉(zhuǎn)動剛度最小化以減小額外的扭矩；3）較高的橫向和扭轉(zhuǎn)剛度以消除作動器的剪切和扭轉(zhuǎn)變形。ULB 作動器選用的不同構(gòu)型膜片彈簧撓性元件如圖11 所示，針對每種構(gòu)型進(jìn)行了有限元分析和形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，從而使撓性元件在所需行程下具有最優(yōu)的應(yīng)力分布。

圖11 不同構(gòu)型的撓性元件[27]Fig. 11 Flexible components of various configurations[27]

撓性元件是決定超靜平臺作動器壽命的關(guān)鍵部件，其精確壽命分析具有重要意義。撓性元件的失效模式主要有兩種：一是在循環(huán)載荷作用下，其缺口處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中處容易發(fā)生疲勞失效，因此疲勞是超靜平臺作動器撓性元件的重要失效模式；二是其在軌運(yùn)行期間會承受隨時(shí)間變化的載荷，進(jìn)而產(chǎn)生損傷并逐漸累積，引起材料的性能退化，導(dǎo)致裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂失效。當(dāng)前用于疲勞壽命分析的主流方法為名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、能量法、臨界面法和損傷容限法等，其中：名義應(yīng)力法根據(jù)材料性能、載荷譜以及應(yīng)力集中部位的應(yīng)力集中系數(shù)確定疲勞壽命，適用于高周疲勞；局部應(yīng)力應(yīng)變法的關(guān)鍵在于獲取應(yīng)力集中部位的局部應(yīng)力應(yīng)變譜，一般用于低周疲勞；能量法和臨界面法可從不同角度對元件的多軸疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測；損傷容限法則是基于斷裂力學(xué)確定載荷譜中各級載荷造成的裂紋擴(kuò)展速度。

開展作動器及其撓性元件的精確壽命分析需要進(jìn)一步加強(qiáng)對超靜平臺及其作動器工況載荷的研究，通過統(tǒng)計(jì)各個(gè)工況的載荷數(shù)據(jù)，根據(jù)撓性元件材料屬性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取對應(yīng)的疲勞壽命分析方法，在測試和診斷等大量數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，涵蓋理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，在獲取撓性元件的壽命預(yù)測值的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對超靜平臺作動器壽命的精確分析。

2.3 地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

隔振控制地面驗(yàn)證試驗(yàn)是驗(yàn)證超靜平臺作動器設(shè)計(jì)的合理性與可行性、隔振控制方案正確性并評價(jià)其隔振性能的必要途徑。超靜平臺作動器需要經(jīng)歷地面儲存環(huán)境，發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境，在軌工作時(shí)的失重、真空及溫度交變等環(huán)境，使用時(shí)還要充分考慮質(zhì)量、機(jī)械接口、熱接口等其他因素。因此，為了確保作動器在軌能夠正常工作，需要開展大量的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，包括功能性能試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)及振動試驗(yàn)等。國外不同研究機(jī)構(gòu)為進(jìn)行超靜平臺作動器功能性能的驗(yàn)證開展了相應(yīng)的隔振控制試驗(yàn)，通過激振器對作動器施加振動激勵，測量關(guān)鍵位置的響應(yīng)，比較上下端的頻率響應(yīng)特性變化，以評價(jià)作動器隔振效果。

Honeywell 公司D-Strut作動器開展單軸隔振試驗(yàn)時(shí)（如圖12 所示）由激振器提供干擾力，激振器通過柔性元件連接到約30 kg 的剛體質(zhì)量塊（模擬有效載荷的質(zhì)量），剛體質(zhì)量塊與被測作動器連接后再經(jīng)由柔性元件連接到安裝墻面。所有部件沿垂直重力方向吊裝在天花板上，并由2 個(gè)測力傳感器分別測量輸入的擾動力和傳遞到墻體的力，驗(yàn)證作動器傳遞率。

圖12 D-Strut 機(jī)構(gòu)單軸振動隔離試驗(yàn)示意[5]Fig. 12 Experiment setup for force isolation of D-Strut[5]

IPS 試驗(yàn)系統(tǒng)如圖13 所示，安裝于獨(dú)立的混凝土板上，與建筑物地基的其余部分分離。試驗(yàn)系統(tǒng)基本質(zhì)量為1 329.03 kg，負(fù)載質(zhì)量2 413.11 kg，2 個(gè)質(zhì)量塊均由單軸空氣軸承從下方支撐，可以認(rèn)為在水平方向無摩擦運(yùn)動?；举|(zhì)量塊與電動激振器相連，IPS 支桿沿水平方向安裝在基本質(zhì)量塊和有效載荷質(zhì)量塊之間。激振器和隔振機(jī)構(gòu)上安裝測力傳感器，質(zhì)量塊之間安裝雙間隙傳感器，在質(zhì)量塊上安裝三軸加速度計(jì)對機(jī)構(gòu)隔振性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 IPS 試驗(yàn)臺[25]Fig. 13 Experiment setup for force isolation of IPS actuator[25]

在對超靜平臺作動器進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證的過程中涉及的模擬試驗(yàn)方法主要有：

1）微重力模擬方法。將待測作動器、激振器、有效載荷模擬質(zhì)量塊、撓性元件等部件懸掛起吊或安裝于氣浮平臺上，并保證所有部件的中心在同一水平線上，以實(shí)現(xiàn)對在軌微重力環(huán)境的模擬。

2）激振控制模擬方法。為了模擬超靜平臺在軌的各類工況，隔振控制試驗(yàn)中需要采用高精度、低噪聲、超低頻激振器來施加激勵信號，同時(shí)需要建造特殊的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以隔離外界環(huán)境的干擾。

3）多應(yīng)力綜合模擬方法。為了更加充分考核作動器的在軌工作性能，可以考慮在空間環(huán)境模擬設(shè)備中集成微重力和激振控制的模擬裝置，以實(shí)現(xiàn)綜合環(huán)境下的性能驗(yàn)證。

3 總結(jié)與展望

隨著航天器功能越來越復(fù)雜，精度和穩(wěn)定度要求越來越高，對航天器及其有效載荷的精穩(wěn)控制和減振/隔振需求也越來越迫切。適用于搭載精密光學(xué)設(shè)備等有效載荷的超靜平臺的應(yīng)用使航天器具備了指向精度高、隔振抑振效果好、穩(wěn)定度高等優(yōu)勢。本文分析總結(jié)了航天器超靜平臺作動器的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)，建議今后在以下幾個(gè)方面開展深入研究：

1）結(jié)構(gòu)構(gòu)型方面，堅(jiān)持組合化、模塊化思路，基于主動控制和被動隔振功能模塊，開發(fā)不同構(gòu)型的作動器，為超靜平臺提供更寬泛的功能化選擇。

2）驅(qū)動部件方面，發(fā)展大動力、高效率、低功耗音圈電機(jī)技術(shù)，使其在力、熱等方面具有更好的適應(yīng)性；對于壓電作動器，在發(fā)揮其高精度優(yōu)勢的同時(shí)，研究拓展行程范圍、提高動態(tài)特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動控制方法。

3）隔振部件方面，考慮發(fā)展綜合多種不同形式的高性能減隔振模塊，提高作動器的中高頻隔振性能，同時(shí)解決主動控制的自主適應(yīng)問題。

4）可靠性方面，從材料、結(jié)構(gòu)、熱控設(shè)計(jì)、疲勞減緩等方面開展研究攻關(guān)，以滿足不同載荷、不同激勵下的多自由度隔振及長壽命工作要求。

5）試驗(yàn)驗(yàn)證方面，針對撓性作動器開展地面試驗(yàn)驗(yàn)證中要模擬在軌微重力環(huán)境，通過各種方式抵消重力的影響，多采用懸吊或氣浮方式，但重力卸載對結(jié)構(gòu)帶來的模態(tài)影響還需進(jìn)一步研究，且模擬微重力、超低頻振動控制等關(guān)鍵技術(shù)還需要突破。