劉明利 劉鵬飛 熊一帆 陳冠宇

（上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海201109）

隨著空間有效載荷相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展,其功能不斷增多,相關(guān)技術(shù)要求也日趨完善, 在氣象衛(wèi)星上，輻射計是及其重要的攜帶設(shè)備之一，起著氣象衛(wèi)星的“眼睛”的作用。輻射計是一種被動有效載荷,輻射計具有全天候,全天時等特點,因此可以用來研究地球大氣系統(tǒng)的輻射平衡；研究海洋大氣熱量交換作用和氣候變化；探測中小尺度天氣現(xiàn)象如鋒面、高空急流、臺風(fēng)、溫帶氣旋、反氣旋、雷暴，并判別天氣系統(tǒng)的發(fā)展階段及其未來的演變趨勢。

為了完成輻射計相關(guān)的功能就需要采取各種驅(qū)動機(jī)構(gòu)來完成相關(guān)的任務(wù), 驅(qū)動機(jī)構(gòu)已成為空間有效載荷中必不可少的重要組成部分。驅(qū)動機(jī)構(gòu)基本功能是：在相關(guān)有效載荷發(fā)射入軌后實現(xiàn)各種動作或運動, 使得相關(guān)的有效載荷能夠完成預(yù)期的功能，驅(qū)動機(jī)構(gòu)對輻射計定位精度和在軌精度等起著相當(dāng)重要的作用。

1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)分類

依據(jù)使用頻率可以將輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)分為一次性驅(qū)動機(jī)構(gòu)、間歇性驅(qū)動機(jī)構(gòu)和周期性驅(qū)動機(jī)構(gòu)。一次性驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般采用彈簧或者充氣裝置等辦法。常見的一次性驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要用在大型反射面天線的展開和鎖定如：通信天線、數(shù)傳天線、測控天線、光通信器、太陽翼以及定向探測器的定位。間歇性驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般采用電機(jī)和凸輪或者齒輪齒條的傳動方式，常用的場景有有向?qū)е敢妮椛溆嫆呙杼炀€，在搜索天線的指引下對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描和分析。周期性驅(qū)動機(jī)構(gòu)是指在對地面掃描天線較小但是又需要大范圍成像的情況下，通過天線的掃描增加觀測范圍。

2 輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)特點[1]

驅(qū)動機(jī)構(gòu)是輻射計的一個重要的子系統(tǒng)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動部分帶動對地天線實現(xiàn)對地掃描,以獲得目標(biāo)的微波或者其它圖象。由于空間應(yīng)用的特殊性,決定了輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)應(yīng)具備以下特點：

（1）速度范圍較大：為保證成像的圖像質(zhì)量和圖像的實時性,應(yīng)保證目標(biāo)在天線口面范圍內(nèi)有一定的停留時間, 并通過高速轉(zhuǎn)動從而減少重復(fù)掃描的間隔時間，因此掃描速度一般在10 r/min 到100r/min 之間。（2）大慣量：輻射計的掃描天線口徑較大,為了保證輻射計的探測幅寬，掃描天線的口徑一般都在1 米以上甚至是更大。同時為了滿足發(fā)射階段振動環(huán)境，需要提高掃描天線的剛度和強度，因此掃描天線的質(zhì)量和慣量較大。（3）有效的功耗：輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)所使用的場合決定了能源供給有限，因此在機(jī)構(gòu)的設(shè)計之初就需要對所使用的部件進(jìn)行合理的選擇來降低功耗。（4）高可靠性： 輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)所使用的場合決定了必須增加機(jī)構(gòu)的可靠性，如果驅(qū)動機(jī)構(gòu)無法按要求完成相關(guān)的功能和性能那么輻射計甚至是整顆衛(wèi)星的部分或者全部功能都將喪失，因此會帶來較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會影響。（5）高精度： 輻射計主要用來獲取目標(biāo)區(qū)域的微波或者可見光的圖像來對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分析，如果驅(qū)動機(jī)構(gòu)的精度不夠那么就無法正確和有效獲得結(jié)果。

全球成像儀（GLI）的掃描鏡驅(qū)動機(jī)構(gòu)（見圖）是一個專為ADEOS-2 衛(wèi)星設(shè)計的兩維驅(qū)動機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動機(jī)構(gòu)是一個典型的俯仰角加方位角構(gòu)造，并配以具有完整備份的S 級電路控制單元。在方位軸上使用的是步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動器，其輸出軸承也被加大和隔離以增加強度。方位軸上還包括一個作位置傳感的21 位旋轉(zhuǎn)變壓器。而俯仰軸上配置的則是無刷直流電機(jī)和一個20 位增量式光柵編碼器。該結(jié)構(gòu)基材為鈹，使用鋁軛，掃描鏡基材也是鈹?shù)?。電路控制單元則提供電源支持、旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動，以及基于微處理器的記錄和閉環(huán)伺服控制等。

全球成像儀（GLI）驅(qū)動機(jī)構(gòu)

3 輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計面臨的問題[2，3]

對于輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu), 有一些有特點的問題是需要重點研究的,這些問題同時也是設(shè)計的難點。它們是：驅(qū)動力問題,精度分配問題,空間環(huán)境問題,壽命問題。

3.1 驅(qū)動力問題。驅(qū)動機(jī)構(gòu)的部件確定后機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力和驅(qū)動力矩就無法更改，因此在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計之初就需要對機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力和驅(qū)動力矩進(jìn)行準(zhǔn)確的分配。驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力和驅(qū)動力矩分為動態(tài)和靜態(tài)兩種。靜態(tài)驅(qū)動力和驅(qū)動力矩是指驅(qū)動機(jī)構(gòu)在靜止轉(zhuǎn)換為運動的瞬間所需要的最小的力和力矩也就是啟動力和啟動力矩。動態(tài)力和動態(tài)力矩是指維持驅(qū)動機(jī)構(gòu)周期運動時所需要的力和力矩。通常情況下，動態(tài)力和力矩小于靜態(tài)力和力矩。

3.2 精度分配問題。驅(qū)動機(jī)構(gòu)的精度決定了輻射計載荷的精度，對于一個高精度的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，正確合理的分配精度指標(biāo)是非常重要的，影響驅(qū)動機(jī)構(gòu)的精度因素主要是加工誤差、裝配誤差和測量誤差等。對于加工誤差可以通過合理和正確的設(shè)計進(jìn)行彌補，結(jié)合工程實際有效合理的分布各個零部件之間的配合誤差來提高驅(qū)動機(jī)構(gòu)的精度的確定各個關(guān)鍵部件的精度要求即通過分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的精度敏感因素, 正確合理地確定精度調(diào)整環(huán)節(jié)。裝配誤差是指機(jī)構(gòu)在裝配的過程中不可避免產(chǎn)生的誤差，裝配誤差需要通過設(shè)置有效的調(diào)整環(huán)節(jié)來提高機(jī)構(gòu)的精度，常用的調(diào)整環(huán)節(jié)有，對軸承的預(yù)緊力進(jìn)行測試設(shè)置，增加調(diào)整墊片等。

3.3 空間環(huán)境問題。輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要工作在真空、輻射、原子氧以及冷熱交變的環(huán)境中，因此驅(qū)動機(jī)構(gòu)就需要考慮材料的熱脹系數(shù)匹配問題。輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)經(jīng)常用在高精度、高負(fù)載場合中，因此驅(qū)動機(jī)構(gòu)的精度就決定了輻射計載荷的系統(tǒng)精度，嚴(yán)正的可能影響整顆衛(wèi)星精度甚至是成敗。

空間冷熱環(huán)境對驅(qū)動機(jī)構(gòu)的影響主要是活動部件和固定部件材料之間的熱脹系數(shù)的不匹配進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動機(jī)構(gòu)無法完成相關(guān)的功能的問題。熱脹系數(shù)不一致可能使得活動部件和固定部件的間隙增大進(jìn)而導(dǎo)致精度降低甚至是功能喪失?；蛘呤腔顒硬考凸潭ú考g間隙減少、摩擦力增加進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)壽命降低甚至是卡滯。

對于空間驅(qū)動機(jī)構(gòu)所處空間環(huán)境影響的問題目前主要是采用主動和被動兩種辦法對機(jī)構(gòu)所處環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)控，主動溫度調(diào)控是指在驅(qū)動機(jī)構(gòu)相關(guān)零部件位置粘貼加熱片，在環(huán)境溫度低于閥值時通過加熱片的加熱功能對驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度補償。被動溫控是指在驅(qū)動機(jī)構(gòu)外表面包覆鍍鋁聚酰亞胺和在噴涂溫控漆和等方法。鍍鋁聚酰亞胺可以認(rèn)為是給機(jī)構(gòu)穿上一層保暖的羽絨服，這樣既可以隔離空間輻射又可以給機(jī)構(gòu)保暖防止溫度過低。溫控漆是指在機(jī)構(gòu)的外表面涂上一層反射層用來反射陽光的鍍層，鍍層可以減少陽光周期性變化對機(jī)構(gòu)環(huán)境溫度的影響。目前這兩種方法在工程上均有成功的應(yīng)用且多為主動和被動兩種方法配合使用，很少會單獨采用一種方法。

3.4 壽命問題。輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)完成相關(guān)功能和性能的關(guān)鍵設(shè)備，一旦驅(qū)動機(jī)構(gòu)無法按照既定的要求工作或者喪失工作能力，那么整個系統(tǒng)也就無法工作，因此驅(qū)動機(jī)構(gòu)的壽命就決定了輻射計系統(tǒng)的壽命。影響驅(qū)動機(jī)構(gòu)壽命因素有很多，其中最主要的就是活動部件和固定部件之間潤滑問題。目前常用的潤滑油固體潤滑、油潤滑和脂潤滑。固體潤滑是在活動部件和固體部件的接觸面上涂鍍一層耐磨涂層來減少摩擦阻力延長驅(qū)動機(jī)構(gòu)的壽命，固體潤滑目前較為成熟且不需要密封，不會出現(xiàn)多余物。但是固體潤滑的壽命只有百萬至千萬次轉(zhuǎn)動，僅用在小載荷和中等壽命的驅(qū)動機(jī)構(gòu)中。油潤滑作為目前延長驅(qū)動機(jī)構(gòu)壽命最長的潤滑手段經(jīng)常用在長壽命、高精度等工況下，采用油潤滑的驅(qū)動的壽命可以達(dá)到千萬甚至是上億次轉(zhuǎn)動。但是因為潤滑容易揮發(fā)，對驅(qū)動進(jìn)行設(shè)計的時候需要考慮密封問題，今年國內(nèi)外對潤滑油進(jìn)行了相關(guān)的研究，陸續(xù)推出了無揮發(fā)性潤滑油。

4 結(jié)論

本文對輻射計驅(qū)動機(jī)構(gòu)的特點以及設(shè)計過程中面臨的問題進(jìn)行總結(jié)和概括，為相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計提供一定的幫助。