袁偉峰，李日華，錢北行

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真空低溫環(huán)境下紅外籠移動裝置設計及調試驗證

袁偉峰，李日華，錢北行

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

為在航天器真空熱試驗中方便快捷地實現(xiàn)高、低溫工況的轉換，設計了紅外籠移動裝置，高溫工況時，將紅外籠移至航天器加熱面的上方；低溫工況時，將紅外籠移開。文章以紅外籠移動裝置的功能、性能需求分析為基礎，確定了移動裝置的功能模塊及設計要求，通過特殊設計使得該移動裝置能夠克服低溫傳動失穩(wěn)或失效問題，并滿足真空潤滑、電機熱控等要求，實際應用表明其具備在真空低溫特殊環(huán)境下可靠、安全工作的能力。文章最后根據(jù)裝置的工程應用情況給出了后續(xù)改進建議。

真空熱試驗；紅外籠；移動裝置；機械設計；控制系統(tǒng)

0 引言

航天器熱平衡試驗過程中需要模擬航天器接收的空間外熱流。如果模擬熱流與空間實際值相差較大，會影響平衡溫度，達不到熱平衡試驗的目的[1]。某些航天器熱試驗中，模擬熱流在不同工況下的差異很大，高、低溫工況的熱流密度值可能相差達到上千W/m2。實踐表明，將紅外籠從輻射器上方移走，可使試件上的背景熱流較快降低[2]。NASA在Apollo服務艙熱試驗中，為實現(xiàn)高、低溫工況的快速轉換，專門設計了紅外籠提升機構，當紅外籠被提升到試件斜上方后，試件表面熱流密度可在約90s內從最大的1387W/m2下降到15.8W/m2[3]。

有關紅外籠移動裝置的功能、性能需求，國內外公開報道中尚未見過完整、專門的分析；而沒有準確的功能、性能需求定位，則無法保證移動裝置的合理設計。本文專門研究了紅外籠在真空低溫環(huán)境下移動的功能、性能需求，并據(jù)此確定了移動裝置的功能模塊及能力的設計要求，以及各功能模塊及系統(tǒng)調試驗證的方式，最后給出了系統(tǒng)的應用情況和后續(xù)改進建議。

1 功能、性能需求分析

紅外籠移動裝置主體工作在空間環(huán)境模擬器內，在進行航天器熱試驗的高、低溫工況轉換時，可將紅外籠合攏或移開至航天器表面的規(guī)定位置處。隨著紅外籠移開航天器距離的增加，對于航天器而言，可視為熱沉與航天器相對面積的比值（2/1）增大，而由式(1)可知，這將使得航天器與熱沉的凈換熱量n增大，即意味著航天器表面的溫度將降低[4]。

式中：為面積，m2；為發(fā)射率；下標1和2分別代表航天器和熱沉；為斯忒藩?玻耳茲曼常量。

紅外籠的基本移動方式包括垂直提降、水平移動2種，在有限空間的環(huán)境模擬器內，一般應選擇最利于紅外籠移開、實現(xiàn)更遠移開距離的方式。實際應用中可能還面臨其他方向（如傾斜方向）的移動需求，可基于2種基本方式變化得到。

紅外籠移動裝置的需求主要包括：1）為保證試驗效率和節(jié)省試驗經(jīng)費，移動裝置一次安裝后應能滿足全部試驗工況的熱流模擬，即系統(tǒng)應能實現(xiàn)紅外籠的多次移開或合攏，中間不能停止試驗；2）為方便各個工況的熱流模擬參數(shù)施加和數(shù)據(jù)比對，紅外籠移開或合攏后的位置應保持一致，即紅外籠移動到位的位置應準確，每次合攏（或移開）到位的位置誤差應小于5mm；3）為最大程度降低背景熱流，應能將紅外籠移開至最遠，并有效降低裝置的熱輻射；4）為模擬航天器在軌工況轉換的實際狀態(tài)，要求紅外籠在1～2min或更短的時間內移動到位，即移動裝置應保證一定的移動速度。

鑒于上述需求，紅外籠移動裝置應具有足夠的可靠性和安全性，且至少能夠支持一次完整的大型試驗，系統(tǒng)應包含動力模塊、傳動模塊、熱控模塊以及控制模塊，參見圖1?？刂颇K可實時監(jiān)控紅外籠移動的速度、位置及到位情況，并根據(jù)這些參數(shù)反饋向動力模塊發(fā)出指令，由動力模塊通過傳動模塊驅動紅外籠移動；同時，控制模塊可根據(jù)熱控模塊的溫度參數(shù)反饋，實時調節(jié)熱控模塊的參數(shù)輸出，將動力模塊和傳動模塊的溫度控制在規(guī)定的范圍內。

圖1 紅外籠移動裝置的功能模塊組成

2 功能模塊設計

2.1 動力模塊設計

動力模塊是為紅外籠提供移動動力源的電機裝置，在使用上有其特殊環(huán)境或限制條件：首先，電機裝置在空間環(huán)境模擬器內距離航天器產(chǎn)品較近，安裝空間受限，應選用小體積的電機，這樣便于安裝并可減小對試件的熱輻射影響。其次，電機裝置的工作精度應滿足紅外籠在反復移動時準確到位的要求。此外，在水平移動紅外籠時，為了避免多余物，一般不對移動輪進行潤滑處理，而由于導軌變形等因素的存在，電機需要克服的摩擦力較大，可能達到幾百N；在垂直提升紅外籠時，需要克服的載荷更大，甚至達到上千N，這就需要電機有較大的扭矩輸出。最后，在真空環(huán)境下，運動物體間的摩擦系數(shù)會急劇增大，步進電機需要的推動力隨之增大，若真空潤滑處理不到位，可能導致控制電機的輸出轉矩無法滿足使用要求，使機構無法工作。為了保證電機內部轉動、傳動部件的工作穩(wěn)定，在其內部添加了潤滑油，一旦密封不好可能導致對航天器產(chǎn)品的油污染，且在真空環(huán)境下，潤滑油還會在電機內、外壓差的作用下，通過各種間隙以油蒸氣的方式被抽走[5]，加劇污染，因此，必須對電機的潤滑方式進行改造，將潤滑油改為難以揮發(fā)的真空專用潤滑脂。

綜上，電機選型設計應滿足結構緊湊、大扭矩輸出、高精度、高穩(wěn)定、無揮發(fā)油物且能有效潤滑等要求。步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移或直線運動的執(zhí)行機構，無位置積累誤差，通過特有的開環(huán)運行機制即可獲得接近閉環(huán)控制的良好性能，其中的混合式步進電機兼有反應式和永磁式電機的優(yōu)點，即體積小、扭矩大。在對電機進行除油處理和加注真空潤滑脂，并采取針對低溫環(huán)境的熱控措施后，混合式步進電機能夠較好地滿足在空間環(huán)境模擬器內使用的要求。

步進電機的驅動轉矩為[6]

式中：為移動機構的牽引力，kN；為移動速度，m/min；為電機轉速，r/min；為移動機構傳遞總效率。

2.2 傳動模塊設計

2.2.1 系統(tǒng)組成及傳動方式

傳動模塊是為紅外籠傳遞移動動力源的機械裝置，一般采取鏈傳動或繩傳動。鏈傳動由減速器、傳動鏈輪（主動鏈輪和從動鏈輪）、傳動鏈條及其保護裝置等組成，見圖2。繩傳動則由減速器、卷繩器、鋼絲繩及滑輪組（后者可選）、保護裝置等組成，見圖3。這2種傳動方式可分別應用在不同的移動場合，在垂直提升紅外籠時，使用具有足夠強度的鋼絲繩牽拉紅外籠即可；而在水平移動紅外籠時，鏈傳動更具優(yōu)勢——與繩傳動相比，它無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，平均傳動比準確，過載能力強，相同工況下的傳動尺寸小，所需張緊力小，作用于軸上壓力小。

圖2 鏈傳動示意

圖3 鋼絲繩傳動示意

2.2.2 傳動主要部件設計

1）卷繩器

卷繩器一般設計為長滾筒形式，其設計參數(shù)包括滾筒直徑和長度?？上纫罁?jù)紅外籠提升速度和滾筒轉速的比值確定滾筒直徑，再依據(jù)滾筒容繩量計算出滾筒長度。卷繩器的容繩量一般為傳動繩單倍行程變化值的1.1～1.2倍；如果采取了動滑輪，則應為雙倍行程變化值的1.1～1.2倍。卷繩器可選用鋁材制作以減輕重量，并在其表面設計卷繩纏繞用的凹槽以方便收（放）繩。

2）減速器

為了保證紅外籠的移動速度和到位精度，需在電機輸出軸端配置減速器。精密行星伺服減速器是用于專業(yè)數(shù)控工業(yè)設備的減速器，具有體積小、剛性好、傳遞扭矩大、傳動精度高、回差小等優(yōu)點，被廣泛應用于要求結構緊湊的動力傳動系統(tǒng)中。其同樣適用于紅外籠移動裝置，但需要進行適應真空低溫環(huán)境的處置，包括使用前的除油和真空潤滑脂加注，以及使用過程中的溫度控制。

3）傳動鏈輪

鏈輪分為主動鏈輪和從動鏈輪，均選用不銹鋼材料以適應低溫環(huán)境。由于鏈式傳動特有的正多邊形效應，鏈輪的轉速越高、節(jié)距越大、齒數(shù)越少，則傳動的動載荷就越大，沖擊越強烈，易出現(xiàn)跳齒、脫鏈現(xiàn)象[7]。實際使用中，為防止脫鏈和運動沖擊，鏈式傳動一般采用小節(jié)距的等比傳動。從動鏈輪滑動軸承的軸選用不銹鋼材料，軸套選用黃銅材料，軸套和鏈輪過盈配合，軸與軸套加工至較高光潔度，軸套內表面刻油槽。

4）傳動繩（鏈）

傳動鋼絲繩一般選用無油、防扭的不銹鋼材。傳動鏈條一般選用無油不銹鋼滾子鏈條，節(jié)距與鏈輪相匹配。傳動繩（鏈）的強度應有足夠的安全余量，安全系數(shù)一般不小于5；考慮低溫下的收縮變形，長度亦應有一定的余量，具體可通過地面調試確定。由于傳動繩（鏈）在低溫環(huán)境下使用，故在地面調試前應對其進行液氮浸泡試驗。

5）保護裝置

保護裝置主要有繩傳動時的張緊器（緊繩器）、夾緊器，鏈傳動時的張緊器、防掉器，以及傳遞紅外籠移動到位或系統(tǒng)工作故障信號的行程開關。

張緊器（緊繩器）的內部結構為彈簧。在繩傳動時，一旦牽引力有變化，利用張緊器可使鋼絲繩保持一定的張力，以防止卷繩器端因鋼絲繩的松動而脫槽；在鏈傳動時，由于鏈條比較接近紅外籠，在高、低溫工況時，上、下鏈條溫度不均勻且變化，使鏈條長度發(fā)生變化，利用張緊器可使鏈條保持與地面調試時同樣的張緊狀態(tài)。如圖4所示，鏈輪傳動張緊器采用彈簧螺桿式張緊裝置，其中的彈簧位于張緊器底座與螺桿之間，從動輪依靠彈簧提供的張緊力。在對從動輪的位置進行調整時，使張緊器承受一定程度的預緊力，只需要擰動螺桿，調整彈簧的壓縮量就能帶動從動輪前進/后退，達到對張緊力的調節(jié)。夾緊器選用與鋼絲繩直徑匹配的不銹鋼夾緊器，為了確保安全，一般要求每個固定端并排設置2個夾緊器。鏈條防掉器是用來防止鏈條掉落在航天器表面的，它有2種方式：一種是防掉套，當鏈條一旦在運行過程中意外脫開鏈輪時起承接作用；另一種是防斷螺釘，其用處在于當鏈條意外斷開時，安裝于從動鏈輪上的張緊器因卸載而彈簧收縮，從動鏈輪及其鏈條迅速后退并頂入后方的防斷螺釘，將鏈條牢牢卡?。▍⒁妶D2）。

圖4 張緊器布局

行程開關應選用能耐受真空低溫環(huán)境的開關器件，并在使用前對開關內部進行去油等清潔處理；同時，為防止開關在低溫下凍結，在正式使用前還應對其進行液氮浸泡考核。由于行程開關提供的信號直接影響系統(tǒng)的狀態(tài)，為可靠起見，應冗余布置，防止單點失效。

2.3 熱控模塊設計

電機、減速器面對的工作環(huán)境溫度為100K左右，已經(jīng)超過了其常規(guī)工作溫度范圍，因此，需采取熱控措施來保證其正常工作?？稍O計一個大小適宜的鋁合金控溫罩及其熱控裝置（見圖5），將電機、減速器等罩入其中，再通過空間環(huán)境模擬器外的溫控儀將控溫罩內的溫度控制在-5～15℃范圍內，以保證電機、減速器的正常工作?？販卣謨缺砻嫱扛哺甙l(fā)射率（紅外發(fā)射率＞0.85）黑漆，以加強控溫罩和電機等的熱輻射交換；在控溫罩外表面粘貼足夠功率的薄膜加熱片和溫度傳感器，并包覆熱控多層。熱控多層的規(guī)格和包覆面積、加熱片的功率規(guī)格則依據(jù)控溫罩的熱負荷確定。在計算控溫罩熱負荷時，還應考慮電機工作產(chǎn)生的廢熱；在真空環(huán)境下，電機廢熱應注意及時釋放，以免電機溫度過高影響正常工作。

圖5 熱控裝置布局

2.4 控制模塊設計

控制模塊分成2大部分（見圖6），一是通過溫控儀實現(xiàn)對電機、減速器的溫度控制；二是通過PLC給電機驅動器發(fā)送指令脈沖從而控制電機帶動傳動裝置工作。

圖6 控制系統(tǒng)組成

控制裝置界面見圖7，有手動和自動2種控制方式，其中手動控制方式設有“進入”和“退出”2個按鈕，分別控制紅外籠合攏和移開，按鈕按下時電機轉動，按鈕抬起時電機停止。自動控制方式與手動控制方式共用“進入”和“退出”按鈕，按鈕按下時驅動機構自動按要求運行到位。驅動機構運行到位的信號是分別由“進入到位”“退出到位”和“鏈條故障”（或“繩松”）3個行程開關的常開觸點閉合來發(fā)出的?！斑M入到位”“退出到位”行程開關發(fā)出信號時，電機按設定的斜率減速至停止?！版湕l故障”（或“繩松”）行程開關閉合時，電機立即停止。驅動機構控制系統(tǒng)的電路設計和布線工藝設計，須同時考慮EMC問題。電機驅動、控制和加熱回路共用1條電纜，各回路之間不得相互干擾。

圖7 控制裝置界面

3 調試方式

裝置總成以后，需進行調試驗證。調試方式包括常溫調試和真空低溫調試。實踐表明，常溫調試可作為主要手段，真空低溫調試則應視裝置的設計成熟度和常溫調試情況選擇進行。

調試目的包括：1）考核傳動模塊工作的平穩(wěn)性；2）考核紅外籠在相應移動速度下的到位準確性；3）考核電機、溫控裝置、控制模塊和保護裝置的工作狀態(tài)；4）確定各模塊部件的安裝參數(shù)，包括電機安裝位置、鏈輪安裝位置、鋼絲繩（鏈條）工作長度及行程開關位置。

調試工況應覆蓋全部使用工況和各種故障模式（傳動卡滯、失穩(wěn)、紅外籠不能準確入位等）工況，對于垂直提升方式，還要充分考核裝置的懸掛性能。

4 裝置應用情況

紅外籠移動裝置已在“嫦娥三號”著陸器初樣、正樣熱試驗中進行了應用，其工作情況詳見表1。試驗期間，電機和減速器均持續(xù)工作在適宜的溫度范圍內，保持了良好的工作性能，傳動模塊未出現(xiàn)卡滯、大幅晃動、脫繩（鏈）等故障情況，實現(xiàn)了紅外籠移動過程的平穩(wěn)；控制系統(tǒng)以自動和手動2種模式互相配合，實現(xiàn)了對紅外籠移動狀態(tài)的有效監(jiān)控，滿足了紅外籠的典型移動需求。

表1 紅外籠移動裝置工作情況

5 結束語

從目前的應用情況來看，紅外籠移動裝置已較好地解決了航天器外熱流模擬時高、低溫工況難以兼顧的問題，在服務于深空探測類等空間熱流變化明顯的航天器熱試驗時，發(fā)揮了重要作用，體現(xiàn)了其工程應用價值。

整個裝置雖然并不復雜，但由于是在嚴酷的真空低溫環(huán)境下工作，所以，設計面臨著特殊條件，如運動部件潤滑、安裝空間、結構低溫變形或部件低溫失效、距離航天器表面較近等實際限制，需要開展詳細的可靠性、安全性設計和充分的調試驗證，在確保裝置足夠可靠、安全后再正式服務于型號試驗。

本文所設計的裝置提供了水平移動和垂直提升2種移動模式，在實際使用中，還會面臨紅外籠斜向移動或翻轉等應用需求，可根據(jù)實際需求在本文中鋼絲繩或鏈條這2種傳動方式的基礎上實現(xiàn)其運動，特別是鋼絲繩傳動方式，能更好地適用于后續(xù)新增的使用模式，可重點開展研究。

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（編輯：張艷艷）

Design and validation of an infrared heating cage translator used in the simulated space cryogenic vacuum environment

YUAN Weifeng, LI Rihua, QIAN Beixing

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The infrared heating cage translator is designed for the high or low heat flux simulation in the spacecraft thermal vacuum test. With it, the infrared cage can be moved to the top of the heating surface of the spacecraft under high heat flux conditions, or removed under low flux conditions. This paper, based on the analysis of the requirement of the system functions and properties, describes the functional blocks and the design requirements of the translator of the infrared heating cage. The translation device of the infrared heating cage, by a special design, works well without the risks of losing stability or failing in the cryogenic environment, or leading to poor lubrication under vacuum, or overheating of the electric motor. In practical applications, this system is shown to enjoy enough safety and reliability in the simulated space environment.. Some suggestions for improvement in further applications are presented lastly.

thermal vacuum test; infrared heating cage; translator; mechanical design; control system

V416.5

B

1673-1379(2018)02-0184-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.014

袁偉峰（1975—），男，碩士學位，高級工程師，主要研究方向為航天器總裝與環(huán)境試驗技術。E-mail: 13391751092@189.cn。

2017-11-15；

2018-03-26

YUAN W F, LI R H, QIAN B X. Design and validation of an infrared heating cage translator used in the simulated space cryogenic vacuum environment[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2018, 35(2): 184-189