空间环境下的微特电机设计特点

2011-11-20叶振东杜婉婷盛文杰

微特电机 2011年10期

俞瑜,宋伟,叶振东,杜婉婷,盛文杰

(中国电子科技集团公司第二十一研究所,上海200233)

0 引言

随着人类迈入太空时代,各类航天器与我们日常生活关系日趋密切。无论是环境观测、气象观测,全球通讯广播、电视转播及地理定位的数据通信和信号转播等卫星,还是空间试验的极轨道、共轨道、静止及载人空间站,载有哈勃望远镜等观测设备的轨道天文台,往返天际与地球间运输的宇宙飞船和轨道间输送机等,这些航天器已经在人们的生活中起到了越来越重要作用。目前我国的航天器品种主要是资源、气象、海洋等观测遥感卫星,通信广播和导航卫星,载人航天器等。

航天器运动机构应用了需要完成多种功能要求的各类微特电机。例如:电池阵列展开驱动用电机与齿轮减速组件,天线展开驱动和方向调整用电机与齿轮减速机构,观测用光学相机、光电望远镜的扫描驱动与方向调整用电机与齿轮减速装置,空间机械臂运动用电机组件,用于控制姿态的飞轮旋转无刷直流电机组件等。一个航天器中一般需要使用多台电动机,例如:日本试验卫星(Japan Experiment Module,JEM)就使用了几十台电机组件装置。而这些运动机构中的电机也是航天器最终功能实现的关键。目前高可靠性运动机构主要采用有源驱动,即采用电机作为系统驱动源,并根据系统对运动控制精度的不同要求,分别采用开环和闭环控制[1]。

航天器在外层空间飞行时所处的环境条件称为空间环境,它对航天器的运动和系统的工作有着明显的影响。空间环境中存在空间辐射、极端温度、高真空等。它的基本要求:真空度10-5～10-10Pa、温度-150℃～+150℃、辐射104Rad;同时还有正弦振动、随机振动和冲击等力学环境要求。这使得其空间环境用微特电机的设计方法与地面用微特电机有很大的区别[2]。

1 空间环境下微特电机的典型应用

目前各类航天器中均装备发射及接收天线、太阳能电池阵列、观测或探测器件、姿态控制、消旋平台等组件,这些核心功能部件是航天器完成基本功能所必备的。以微特电机组件作为驱动源,航天器用电机组件一般包括:主驱动电机、减速装置、制动器、角度位置或速度传感器以及驱动控制电路等部分。主驱动电机可选择的类型为无刷直流电动机、步进电动机、永磁交流伺服电动机等,减速装置可选择蜗轮蜗杆、谐波齿轮、小模数行星齿轮等形式,其他部分则根据对载荷系统要求进行不同的配置方案,并籍以达到系统功能和控制精度。例如:针对太阳能电池阵列的旋转运动转速低并且控制精度要求不高,可以选择步进电动机、齿轮对减速结构及开环驱动控制;简单、可靠,是目前应用较普遍的一种类型。但当天线方向调整、望远镜驱动等载荷系统的旋转运动要求大转矩、较高位置定位和控制精度时,则需要采用无刷直流电动机、高精度减速装置和角度位置编码器进行闭环驱动控制;这种高精度无刷直流电动机组件方案也是新型载荷系统的旋转运动驱动控制的发展方向。目前微特电机在航天器中典型应用实例如下:

1.1 天线展开机构

如图1所示,航天器进入太空至预定的轨道运行,即要收发各类信息,此时信息发送、接收天线应自动按设定程序展开并伸出航天器。其旋转运动机构一般采用混合式步进电动机、齿轮减速组件,电机通过减速带动长丝杆缓慢旋转,使与丝杆配套的特制螺母带负载作直线运动,从而将天线向外展开。天线展开机构用电机组件的性能指标和可靠性直接影响天线的展开,也影响航天器数据交汇通讯的质量。

图1 航天器用微特电机图释

1.2 太阳能电池阵列

航天器的太阳能电池阵列是提供在轨运行的电能源。航天器发射过程中,太阳能电池阵列帆板用特殊螺栓固定,使之处于折叠收缩状态。至预定轨道后,由地面遥控引爆其固定螺栓,展开帆板并保持朝向太阳,从而获得最大能量。但是航天器要绕地球公转和自转、自身的调整等,导致展开的帆板朝向变化;为此需有旋转运动机构,使帆板朝向作缓慢旋转运动,通过控制指令,调节帆板朝向姿态至朝阳。在这种旋转运动机构中,一般采用混合式步进电动机、齿轮减速组件,驱动电池阵列帆板转动。

1.3 光学相机、光电望远镜探测系统

目前各类航天器装备光学相机、光电望远镜探测系统。这类载荷系统通过光学和电荷耦合(CCD)原理,以光学方式将动态探测物成像后处理转换成电信号,再编码经专用芯片可数字通信传输并成像。例如:红外多光谱探测器以探测物的红外辐射量转换成电量,再编码等专业技术处理,直接数字化成像。这些光学与光电探测系统,虽其工作原理不尽相同,但其中均含有光学调整、转动扫描机构,需要用电机组件来驱动完成调焦、摆动镜片等运动。通常低精度旋转运动机构采用开环驱动控制步进电动机、减速齿轮组件;高精度旋转运动机构则采用闭环驱动控制无刷直流电动机、减速和角度位置编码器组件。亦即航天器的探测系统好似“人眼”,而电机组件则是睁眼的关键。

1.4 机械式消旋平台

航天器进入太空至预定的轨道运行,要求航天器上的天线射束指向地球,使星地之间信息数据有效传送。由于航天器要绕地球公转和自转以及自身的调整,天线射束指向发生变化;这就需要航天器的消旋平台来消除天线射束指向位置的变化,而处于相对锁定状态。其机械式消旋平台有驱动源为电机组件的运动机构,一般采用混合式步进电动机、齿轮减速组件。工作原理为:控制器启动步进电动机达到规定转速,转换到电路锁相状态即PLL模式,天线射束未准确对准地球目标时,通过锁相电路驱动控制电机旋转,直至天线射束被调整到指向所需的地球目标。

2 空间环境下的微特电机设计特点

通过以上的几个典型应用介绍,我们可以发现空间环境下的微特电机的应用前景是广阔的。空间环境的特殊性使得空间环境下的微特电机应用技术主要侧重于可靠性技术。随着航天技术的发展,各类航天器的设计寿命不断提高,从2年提高至15年。除了载人航天器及可回收卫星外,其他航天器发生了故障一般不进行修理,即便可修理,费用也十分高昂。因此工作期间一般不允许发生故障,对航天器用微特电机也提出了高可靠性的要求。

2.1 材料选择

空间环境下的微特电机设计时首先是材料的选择:第一,空间环境用微特电机必须使用逸出气体少的材料。根据日本宇宙开发事业团(NASDA)规定,表征材料逸出气体量的指标主要有以下两个:即TML(质量损失比)不大于1%、CVCM(再凝缩物质量比)不大于0.1%,原则上满足上述指标的材料才可以使用[1];第二,需要使用热传导性能好,对温度周期变化产生的温度应力的适应能力强,可适用温度范围为-55℃～+125℃的材料;第三,在宇宙射线的照射下,有机材料的性能将逐渐变坏,应选用耐辐照材料。

2.2 结构设计技术研究

空间环境下的微特电机有体积小、重量轻、性能高、可靠性好,寿命长等,结构形变对性能下降甚至失效的影响极大。从步进电动机结构来说,其定子结构比较复杂,由铁心、线圈、机壳、端盖等组成,既要支撑轴承,还要支撑转子,所以其在温度和机械应力作用下长期稳定工作至关重要。因此特殊环境条件下材料变形及其机械尺寸的变化对航天器用微特电机性能的影响有待进一步研究。

2.3 热设计技术研究

真空环境中电机损耗产生热量及机械摩擦产生热量的散热方式只能是热传导和热辐射两种,不存在对流散热方式,因此散热速度较为缓慢,而航天器整体是一不等温体,各部件间温度梯度较大,因此热场的变化对电机工作稳定性影响很大。温度梯度严重影响时甚至将导致电机工作失效,因此需要模拟真空环境对航天器用微特电机进行仿真试验。

2.4 轴承润滑技术研究

轴承是保证空间环境下的微特电机运行可靠的关键,而轴承润滑方式则是重中之重。根据以往经验,轴承的失效大多是由于安装不当或是润滑技术不佳所致,因此首先要保证轴承结构及尺寸精度,其次选择合适的润滑方式,同时还与电机的轴承工作与安装结构设计、运行方式等技术有关。目前短时、低速工作状态航天器用微特电机的轴承普遍采用固体润滑,但该技术仍不太完善,在高速、长寿命应用场合,如何保证长寿命要求仍是一大难题。