卫星辐射计驱动机构技术特点综述

刘明利 刘鹏飞 熊一帆 陈冠宇

（上海航天电子通讯设备研究所，上海201109）

随着空间有效载荷相关技术的迅速发展,其功能不断增多,相关技术要求也日趋完善, 在气象卫星上，辐射计是及其重要的携带设备之一，起着气象卫星的“眼睛”的作用。辐射计是一种被动有效载荷,辐射计具有全天候,全天时等特点,因此可以用来研究地球大气系统的辐射平衡；研究海洋大气热量交换作用和气候变化；探测中小尺度天气现象如锋面、高空急流、台风、温带气旋、反气旋、雷暴，并判别天气系统的发展阶段及其未来的演变趋势。

为了完成辐射计相关的功能就需要采取各种驱动机构来完成相关的任务, 驱动机构已成为空间有效载荷中必不可少的重要组成部分。驱动机构基本功能是：在相关有效载荷发射入轨后实现各种动作或运动, 使得相关的有效载荷能够完成预期的功能，驱动机构对辐射计定位精度和在轨精度等起着相当重要的作用。

1 驱动机构分类

依据使用频率可以将辐射计驱动机构分为一次性驱动机构、间歇性驱动机构和周期性驱动机构。一次性驱动机构一般采用弹簧或者充气装置等办法。常见的一次性驱动机构主要用在大型反射面天线的展开和锁定如：通信天线、数传天线、测控天线、光通信器、太阳翼以及定向探测器的定位。间歇性驱动机构一般采用电机和凸轮或者齿轮齿条的传动方式，常用的场景有有向导指引的辐射计扫描天线，在搜索天线的指引下对目标区域进行扫描和分析。周期性驱动机构是指在对地面扫描天线较小但是又需要大范围成像的情况下，通过天线的扫描增加观测范围。

2 辐射计驱动机构特点[1]

驱动机构是辐射计的一个重要的子系统。驱动机构转动部分带动对地天线实现对地扫描,以获得目标的微波或者其它图象。由于空间应用的特殊性,决定了辐射计驱动机构应具备以下特点：

（1）速度范围较大：为保证成像的图像质量和图像的实时性,应保证目标在天线口面范围内有一定的停留时间, 并通过高速转动从而减少重复扫描的间隔时间，因此扫描速度一般在10 r/min 到100r/min 之间。（2）大惯量：辐射计的扫描天线口径较大,为了保证辐射计的探测幅宽，扫描天线的口径一般都在1 米以上甚至是更大。同时为了满足发射阶段振动环境，需要提高扫描天线的刚度和强度，因此扫描天线的质量和惯量较大。（3）有效的功耗：辐射计驱动机构所使用的场合决定了能源供给有限，因此在机构的设计之初就需要对所使用的部件进行合理的选择来降低功耗。（4）高可靠性： 辐射计驱动机构所使用的场合决定了必须增加机构的可靠性，如果驱动机构无法按要求完成相关的功能和性能那么辐射计甚至是整颗卫星的部分或者全部功能都将丧失，因此会带来较为严重的经济和社会影响。（5）高精度： 辐射计主要用来获取目标区域的微波或者可见光的图像来对目标区域进行分析，如果驱动机构的精度不够那么就无法正确和有效获得结果。

全球成像仪（GLI）的扫描镜驱动机构（见图）是一个专为ADEOS-2 卫星设计的两维驱动机构。该驱动机构是一个典型的俯仰角加方位角构造，并配以具有完整备份的S 级电路控制单元。在方位轴上使用的是步进电机构成的驱动器，其输出轴承也被加大和隔离以增加强度。方位轴上还包括一个作位置传感的21 位旋转变压器。而俯仰轴上配置的则是无刷直流电机和一个20 位增量式光栅编码器。该结构基材为铍，使用铝轭，扫描镜基材也是铍的。电路控制单元则提供电源支持、旋转变压器的数字转换、电机驱动，以及基于微处理器的记录和闭环伺服控制等。

全球成像仪（GLI）驱动机构

3 辐射计驱动机构设计面临的问题[2，3]

对于辐射计驱动机构, 有一些有特点的问题是需要重点研究的,这些问题同时也是设计的难点。它们是：驱动力问题,精度分配问题,空间环境问题,寿命问题。

3.1 驱动力问题。驱动机构的部件确定后机构的驱动力和驱动力矩就无法更改，因此在驱动机构的设计之初就需要对机构的驱动力和驱动力矩进行准确的分配。驱动机构的驱动力和驱动力矩分为动态和静态两种。静态驱动力和驱动力矩是指驱动机构在静止转换为运动的瞬间所需要的最小的力和力矩也就是启动力和启动力矩。动态力和动态力矩是指维持驱动机构周期运动时所需要的力和力矩。通常情况下，动态力和力矩小于静态力和力矩。

3.2 精度分配问题。驱动机构的精度决定了辐射计载荷的精度，对于一个高精度的驱动机构，正确合理的分配精度指标是非常重要的，影响驱动机构的精度因素主要是加工误差、装配误差和测量误差等。对于加工误差可以通过合理和正确的设计进行弥补，结合工程实际有效合理的分布各个零部件之间的配合误差来提高驱动机构的精度的确定各个关键部件的精度要求即通过分析发现系统中的精度敏感因素, 正确合理地确定精度调整环节。装配误差是指机构在装配的过程中不可避免产生的误差，装配误差需要通过设置有效的调整环节来提高机构的精度，常用的调整环节有，对轴承的预紧力进行测试设置，增加调整垫片等。

3.3 空间环境问题。辐射计驱动机构需要工作在真空、辐射、原子氧以及冷热交变的环境中，因此驱动机构就需要考虑材料的热胀系数匹配问题。辐射计驱动机构经常用在高精度、高负载场合中，因此驱动机构的精度就决定了辐射计载荷的系统精度，严正的可能影响整颗卫星精度甚至是成败。

空间冷热环境对驱动机构的影响主要是活动部件和固定部件材料之间的热胀系数的不匹配进而导致驱动机构无法完成相关的功能的问题。热胀系数不一致可能使得活动部件和固定部件的间隙增大进而导致精度降低甚至是功能丧失。或者是活动部件和固定部件之间间隙减少、摩擦力增加进而导致机构寿命降低甚至是卡滞。

对于空间驱动机构所处空间环境影响的问题目前主要是采用主动和被动两种办法对机构所处环境温度进行调控，主动温度调控是指在驱动机构相关零部件位置粘贴加热片，在环境温度低于阀值时通过加热片的加热功能对驱动机构进行温度补偿。被动温控是指在驱动机构外表面包覆镀铝聚酰亚胺和在喷涂温控漆和等方法。镀铝聚酰亚胺可以认为是给机构穿上一层保暖的羽绒服，这样既可以隔离空间辐射又可以给机构保暖防止温度过低。温控漆是指在机构的外表面涂上一层反射层用来反射阳光的镀层，镀层可以减少阳光周期性变化对机构环境温度的影响。目前这两种方法在工程上均有成功的应用且多为主动和被动两种方法配合使用，很少会单独采用一种方法。

3.4 寿命问题。辐射计驱动机构是系统完成相关功能和性能的关键设备，一旦驱动机构无法按照既定的要求工作或者丧失工作能力，那么整个系统也就无法工作，因此驱动机构的寿命就决定了辐射计系统的寿命。影响驱动机构寿命因素有很多，其中最主要的就是活动部件和固定部件之间润滑问题。目前常用的润滑油固体润滑、油润滑和脂润滑。固体润滑是在活动部件和固体部件的接触面上涂镀一层耐磨涂层来减少摩擦阻力延长驱动机构的寿命，固体润滑目前较为成熟且不需要密封，不会出现多余物。但是固体润滑的寿命只有百万至千万次转动，仅用在小载荷和中等寿命的驱动机构中。油润滑作为目前延长驱动机构寿命最长的润滑手段经常用在长寿命、高精度等工况下，采用油润滑的驱动的寿命可以达到千万甚至是上亿次转动。但是因为润滑容易挥发，对驱动进行设计的时候需要考虑密封问题，今年国内外对润滑油进行了相关的研究，陆续推出了无挥发性润滑油。

4 结论

本文对辐射计驱动机构的特点以及设计过程中面临的问题进行总结和概括，为相关领域的设计提供一定的帮助。