一种α 粒子微推进空间矢量控制结构的设计与实现

徐 飞，夏 彦*，何世熠，肖文磊，刘国青

（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094；3. 西北核技术研究所，西安 710024； 4. 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100083）

0 引言

高精度微推进器是无拖曳飞行航天器的核心技术，广泛用于重力场测量[1]、基础物理验证[2]等领域。当前主要的无拖曳微推进方式有电推进[3]和冷气推进[4]，均采用工质流量控制来实现推力控制。20 世纪末欧洲学者提出α 粒子微推进的概念[5]，之后也有学者面向深空航行领域展开研究[6-7]。α 粒子微推进是将放射性物质以薄膜形式涂覆在航天器表面，利用其α 衰变时向空间方向出射的高能粒子形成反推力。基于该原理的推进技术具有比冲高、寿命长、功率要求低、推力比特小的特点，相对于太阳帆[8]、电推进等微推进技术具有独特的应用价值。α 衰变具有自发性，其衰变数量无法被约束，但可以利用α 粒子的弱穿透性，通过薄层覆盖的方式约束粒子逃脱航天器体系的数量，因此α 粒子微推进器适用于面积控制方式。薄膜型、不消耗大量电能的α 粒子微推进器非常适合皮纳卫星、手机星、芯片星等的微小平台特性，能大幅延长卫星维持在轨的寿命[9]，从而减少同功能纳星的反复发射、补网需求，进一步大幅缩减纳星的应用成本。

作者研究组近年来致力于将α 粒子推进原理发展成可行的微推进器技术，为皮纳卫星等微小平台提供支持。由于皮纳卫星平台的轨控能力有限，进行皮纳卫星轨控的微推进器应具有一定范围内的方向可调整性，也就是具有矢量控制功能，即在任何干扰作用下都能够根据需要控制推力矢量在所需的角度稳定保持[10]。考虑α 衰变的物理特性，针对无拖曳飞行与皮纳卫星轨控的微推进器需求，本文设计了α 粒子微推进器的矢量控制结构，并进行了初步的性能分析。

1 α 衰变推力薄膜

α 粒子的最大特点在于穿透性很弱：以210Po 衰变的5.3 MeV α 粒子为例，其穿透自身Po 金属的射程为23.4 μm。推力薄膜超过射程深度处产生的α 粒子几乎无法逃脱薄膜进入空间，因而不产生推力。α 衰变推力薄膜（α 推力薄膜）结构见图1，薄膜厚度应小于α 粒子的射程，并采用金属基底阻挡膜内的α 粒子向应出射方向的反向发射。课题组经过理论计算和模拟研究，综合考虑推力、成本和寿命，首选厚度10 μm 的210Po 薄膜作为推力面元构成α 粒子微推进器，该薄膜的平均推力为300 μN/m2[11]，低地球轨道的太阳光压约为5 μN/m2[12]，薄膜提供的推力可轻松抵消太阳光压的影响。

图1 α 推力薄膜结构Fig.1 Structure of the α thrust film

2 推进器控制结构设计

2.1 基本推力控制结构

α 推力薄膜宜采用调整遮盖面积的方式控制其推力，本研究设计了超声电机驱动光阑的结构实现此功能。如图2 所示，超声电机与光阑都是圆环形结构，在α 推力薄膜的正上方层叠放置，光阑在上、电机在下。光阑由旋转超声电机驱动，控制其中心圆孔的开度，以调整推力薄膜的遮盖面积，实现对α 粒子推力大小的控制。

图2 超声电机驱动光阑剖面Fig.2 Sectional view of the diaphragm driven by ultrasonic motor

超声电机的工作原理如图3 所示，以一定的预压力紧压转子，通过摩擦齿提供必要的正压力。电机工作时在压电陶瓷上施加超声频段的A/B 两相、具有一定相位差的同频等幅交流电压，利用压电材料的逆压电效应在定子中激发出行波，从而将电能转换为定子的超声振动，再通过摩擦力将定子的振动变成转子的旋转运动，从而带动负载移动，整个过程实现了电能到机械能的转换。

图3 超声电机的工作原理Fig.3 Working principle of the ultrasonic motor

超声电机驱动无须额外的减速系统，结构紧凑，而光阑结构简单，开合所需空间小，二者搭配能满足多单元密集排布的需求，这也是矢量微推进器上选择超声电机与光阑组合的原因。NASA 和JPL为了将超声电机用于火星探测器的机械手，对超声电机进行了低温和真空试验，结果表明超声电机能在-150 ℃的低温和10-6Pa 的环境下工作[13]，同时不受电磁辐射干扰，因此能够适应空间环境。超声电机响应时间为ms 量级，无须减速机构直接驱动，可在移动中精确定位，理论上可实现光阑孔径大小的连续调整。

本例中，超声电机驱动光阑外圆半径3.47 cm，包覆体积为37.8 cm3。光阑叶片材质为不锈钢，整体质量可控制在40 g 以内。相较于脉冲等离子体推力器（PPT）和真空弧推力器（VAT），α 粒子推进器无须推进剂，也不需要驱动电源，推力完全是自发的，因此其质量远小于前两者，可靠度也相对较高，只需要保证对薄膜的遮盖控制。

2.2 类半球形矢量微推进器

类半球形结构高精度矢量合成核能微推进器由类半球形矢量合成支架、α 推力薄膜、面元控制开关3 部分组成，其中面元控制开关系统包含11 个超声电机驱动光阑。合理设计超声电机控制电路，采用多组超声电机伺服驱动器即可对每个开关进行独立、高效的控制，实现微推进器的推力矢量合成。

2.2.1 类球形矢量合成支架

支架为一外凸构型，如图4 所示，由6 个相同的正五边形和5 个相同的正六边形平面组成，与5 个相同的梯形非功能面补足底面共同形成小半个球面构型。每个正五边形和正六边形的内切圆外平面上均涂覆圆形的α 推力薄膜，并对应配置超声电机驱动光阑，推力薄膜直径与光阑最大孔径尺寸一致并同心。正五边形边长5.04 cm，其内切圆半径3.47 cm；正六边形边长5.04 cm，其内切圆半径4.37 cm。穹顶五边形中心的方位角为0°，外围一圈5 个六边形中心的方位角为37.38°，最外围一圈5 个五边形中心的方位角为63.43°。此时的矢量推力器的整体包覆体积小于2786 cm3，质量可控制在1 kg 以内。整个系统的11 个超声电机驱动光阑各自独立控制，某一个或几个失效，不会影响其余的正常工作，同时由于推进器某特定推力实现的面元搭配组合方案较多，不是唯一的，也不会对推进器的推力产生过多影响，整体可靠度高。

图4 半球形矢量微推进器正面与背面Fig.4 Front and back of the hemispherical vector micro-thruster

2.2.2 基本控制方式

假定α 推力薄膜可以提供最大为F 的推力，则面元控制开关可以为每个面元提供0～F 之间的任意状态的独立控制，进而可以控制多面元合力的大小和方向。面元控制开关采用对旋方式，即：控制结构正转，多叶结构反转打开，通道扩大，面元提供的推力变大；控制结构反转，多叶结构正转关闭，通道缩小，面元提供的推力变小。对旋开关方式一来为面元提供了足够的通道面积，二来控制过程即推力器动作过程角动量守恒，不会引起星本体角动量变化，从而不需要星本体配合推力调整作额外的消旋、消振。

3 矢量推力分析

针对第2 章设计的方案，为简化计算，只考虑每个α 推力薄膜全开与全关2 种情况，则有211=2048 种推力方案，可以据此计算出矢量控制结构可输出的推力大小与角度分布。这种计算模式暂不考虑单个推力薄膜可调，实际上超声电机驱动光阑的结构连续可调，也即有无穷多种推力方案，则所设计推进器理论上具有比本文计算结果更高的推力大小与角度控制精度。

推力方案可通过MatLab 软件数学建模计算，将11 个α 推力薄膜的力进行正交分解，经过排列组合即可获得所有可能性下的推力全集。我们对计算结果进行统计整理，主要关注推力方案的总推力大小分布以及方向分布。

图5 为各推力方案的总推力大小分布，可以看到，3～4 μN 的推力方案占比最高，为33%，4～5 μN其次，占28%，2～3 μN 占21%，也就是说总推力集中在2～5 μN 之间的方案占据了82%的比例。计算结果最大推力达到6.9 μN，也即推力可在0～6.9 μN 之间连续调整，相当于1 个推力器矢量结构即可基本抵消1 m2的太阳光压阻力，而残余大气阻力和电磁场阻力影响可通过多个矢量结构布局予以消除，从而实现无拖曳飞行所需的各种微小阻力补偿。

将所有可能合力的方向取点显示如图6 所示，z 轴方向为推力面的法向，图中从(0, 0, 0)点到每个红点的矢量代表了每个力的方向，可以看出，红点（矢量合力）主要集中在z 轴正向，且方位角在-90°～90°间均匀分布，而天顶角也主要集中在小角度范围内。实际计算得出，99%的组合方案方位角位于0°～53°之间，也即主要集中在推力薄膜的法向。

图5 各种方案总推力大小分布Fig.5 Distribution of thrust for various combinations

图6 矢量合力的角度分布Fig.6 Angle distributions of resultant vector force

由以上分析可知，基于基本控制单元和类半球形矢量推进器能够实现对单元力的推力大小控制和对组合力的角度控制。通过对推力器整体尺寸的调整，可以实现其他范围约束下的方案，但本文所提出的基本控制与结构思想仍然有效。

4 结束语

本文设计了α 粒子微推进器基本推力控制结构和矢量控制结构，将衰变核素构成的推力薄膜排布成利于矢量合成的类球形结构，采用行波型超声电机驱动光阑对每个推力面元进行独立、高效的推力大小控制，利用多个推力面元推力状态组合的多样性进行推力的矢量控制。该矢量控制结构理论上最大推力可达6.9 μN，合力方向整体法向集中。

α 粒子微推进器具有寿命长、无须驱动电源、结构简单等优势，如果能够妥善解决控制方式等主要的工程应用技术问题，将会在微推进领域形成一个有力的补充。其工程实现的主要难点一是放射性镀膜技术的安全与防护，以及核素的获取；二是在卫星平台设计超声电机驱动布局，包括中和器的配套等。后续将对镀膜工艺展开研究，同时对超声电机进行样机试制与实验验证，获得基本的推力数据，包括推力调节速度、推力分辨率和推力响应时间等。