王 輝，丁輝兵，周 勇

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

光學(xué)航天器是一種以光學(xué)設(shè)備為主要載荷的航天器，為了將光學(xué)設(shè)備獲取的信息傳輸給其它空間飛行器或地面，光學(xué)航天器通常會搭載有可動的通信天線，中繼天線(data relay antenna, DRA)是其中一種[1-2]。中繼天線工作時，其反射器在兩軸驅(qū)動組件的驅(qū)動下發(fā)生轉(zhuǎn)動，由于電機振動、機構(gòu)間隙、驅(qū)動控制的不平滑等原因,中繼天線反射器在轉(zhuǎn)動過程中有可能產(chǎn)生輕微的抖動，該抖動為航天器微振動中的一種來源。以光學(xué)設(shè)備為主要載荷的航天器其本身的指向精度和分辨率等性能指標(biāo)通常都比較高，對星上的各種微小擾動十分敏感，因此需要考慮該微振動帶來的影響[3-7]。

除了可動天線轉(zhuǎn)動帶來的擾動外，航天器微振動的其它誘因還包括星上轉(zhuǎn)動部件(如動量輪、控制力矩陀螺)高速轉(zhuǎn)動、航天器變軌調(diào)姿期間推力器點火工作、低溫制冷器壓縮機和百葉窗等熱控部件機械運動、大型柔性結(jié)構(gòu)受激振動和進出陰影時冷熱交變誘發(fā)熱變形擾動等。目前國內(nèi)外對于動量輪、控制力矩陀螺、低溫制冷器壓縮機等引發(fā)的微振動及抑制措施等有大量的相關(guān)研究內(nèi)容[8-13]，關(guān)于星載可動天線工作時引發(fā)的微振動研究則相對較少，僅文獻[14]對基于步進電機的雙軸驅(qū)動天線進行了建模仿真和測試，由于受到條件的限制，該研究未能全面反映天線工作狀態(tài)中的振動特性。本文從電機、驅(qū)動單元、機構(gòu)三種狀態(tài)下的振動測試結(jié)果對中繼天線的微振動傳遞特性進行分析[15]，通過仿真和試驗相結(jié)合的方式獲得天線整體狀態(tài)下的微振動特性。

1 中繼天線微振動測試

1.1 測試對象

中繼天線主要由展開臂、雙軸驅(qū)動機構(gòu)、反射器組成，如圖1所示。其中兩軸電機是主要的擾動源，為了分析天線微振動的傳遞特性，需要從電機、驅(qū)動單元、機構(gòu)層級三方面分別進行測試。微振動測試采用KISTLER9119AA2型六分量測力傳感器。

圖1 中繼天線外形示意圖Fig.1 Configuration of the DRA

1.2 電機擾振特性測試

中繼天線所使用的驅(qū)動電機分為步進電機和直流力矩電機兩類，為了進行對比選型，針對兩類電機的振動擾動特性分別進行了測試。電機的安裝測試狀態(tài)如圖2所示：

圖2 電機測試示意圖Fig.2 Micro-vibration test of electromotor

在相同轉(zhuǎn)速下對比兩類電機的微振動測試結(jié)果如圖3、圖4所示，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象:

圖3 步進電機繞轉(zhuǎn)軸微振動測試曲線Fig.3 Micro-vibration curve of step electromotor rotating around axis

圖4 直流電機繞轉(zhuǎn)軸微振動測試曲線Fig.4 Micro-vibration curve of torque electromotor rotating around axis

1)直流電機和步進電機都表現(xiàn)出諧振點不隨轉(zhuǎn)速變化的特點；

2)直流無刷力矩電機在8～300 Hz范圍內(nèi)的諧波點較步進電機要少很多，尤其是在較高頻率段諧波點量級降低明顯;

3)直流電機繞自身轉(zhuǎn)動軸(圖2中Z軸)的力矩Mz比步進電機Mz小兩個數(shù)量級，步進電機繞Z軸最大力矩為0.02 N·m，而直流力矩電機繞Z軸最大力矩僅為0.000 1 N·m左右；

1.3 驅(qū)動單元擾振特性測試

驅(qū)動單元主要由驅(qū)動電機、諧波減速器及旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成。驅(qū)動電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，經(jīng)由諧波減速器進行減速，然后輸出到天線載荷端,驅(qū)動單元微振動試驗電機采用直流力矩電機，諧波齒輪傳動的傳動比i=100。驅(qū)動單元的擾振測試安裝狀態(tài)如圖5所示：

圖5 驅(qū)動單元微振動測試狀態(tài)Fig.5 Micro-vibration test of driving-unit

驅(qū)動單元擾振測試結(jié)果表明，雖然經(jīng)過了諧波減速器的傳遞，驅(qū)動單元安裝接口處的微振動并未比電機直接產(chǎn)生的振動大多少，即驅(qū)動單元對于電機的振動放大并不明顯。如圖6所示是單元擾動力矩的測試曲線。

圖6 驅(qū)動單元繞轉(zhuǎn)軸微振動測試曲線Fig.6 Micro-vibration curve of driving-unit rotating around axis

1.4 機構(gòu)擾振特性測試

由于中繼天線反射器在地面環(huán)境下產(chǎn)生的重力矩比驅(qū)動單元的驅(qū)動力矩要大的多，因此測試驅(qū)動單元轉(zhuǎn)動對天線安裝根部的擾動時，為了降低重力的影響，需要將反射器拆除，中繼天線機構(gòu)擾振狀態(tài)如圖7所示。

圖7 中繼天線機構(gòu)微振動測試示意圖Fig.7 Micro-vibration test of mechanism

考慮到機構(gòu)的擾振傳遞特性與機構(gòu)的結(jié)構(gòu)頻率有著必然的聯(lián)系，因此首先對機構(gòu)的模態(tài)頻率進行了測試，機構(gòu)X向主要結(jié)構(gòu)頻率有：7.6 Hz，40.0 Hz，48.1 Hz，Y向主要頻率有：8.8 Hz，24.4 Hz，33.5 Hz。

機構(gòu)安裝根部擾振力在兩軸不同轉(zhuǎn)速組合下的測試結(jié)果(選取0～300 Hz范圍內(nèi)相對較大值)如表1所列：

表1 機構(gòu)安裝根部微振動測試結(jié)果

結(jié)合機構(gòu)結(jié)構(gòu)頻率和擾動測試結(jié)果可以看出，機構(gòu)擾振力的大小主要由兩個驅(qū)動軸中擾振效果最顯著的那個驅(qū)動單元(即最大擾振源)所產(chǎn)生的擾振力決定，擾振力頻點與機構(gòu)的結(jié)構(gòu)頻點是對應(yīng)的，最大擾振力及力矩一般出現(xiàn)在最大擾振源激勵方向的一階結(jié)構(gòu)頻率處。

2 天線擾振特性分析

由于中繼天線反射器是二維轉(zhuǎn)動的，目前的技術(shù)條件很難對二維轉(zhuǎn)動天線實現(xiàn)完全的重力卸載(所謂完全卸載即卸載后的殘余重力對微振動測試不產(chǎn)生影響)，因此對于中繼天線的整體微振動測試主要是采取仿真分析和試驗相結(jié)合的方式，其具體步驟如圖8所示：根據(jù)天線上述5種狀態(tài)模態(tài)有效質(zhì)量分析結(jié)果，反射器繞某一軸偏轉(zhuǎn)90°結(jié)果與偏轉(zhuǎn)-90°結(jié)果差別非常小，可以看作是一種狀態(tài)，因此微振動仿真計算及結(jié)構(gòu)阻尼修正時僅考慮其中3種狀態(tài)，這3種狀態(tài)分別是X/Y軸都處于0°位置狀態(tài)、X軸為0°，Y軸為-90°位置狀態(tài)和X軸為90°，Y軸為0°位置狀態(tài)。結(jié)構(gòu)阻尼修正的方法是根據(jù)天線各狀態(tài)振型與模態(tài)有效質(zhì)量分布判斷，與機構(gòu)振型相同且有效質(zhì)量分布相近的選取同一阻尼。天線與機構(gòu)的對應(yīng)模態(tài)頻率如表2所列：

表2 天線與機構(gòu)的對應(yīng)模態(tài)頻率表

圖8 中繼天線整機微振動測試和仿真分析流程Fig.8 Flow chart about DRA micro-vibration test and simulation

微振動仿真分析時為了覆蓋天線在軌各種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，選取了天線在軌5種極端構(gòu)型狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 中繼天線在軌極端位置狀態(tài)Fig.9 Five utmost state of DRA on orbit

機構(gòu)與天線仿真時選取驅(qū)動單元的微振動實測值作為激振力輸入，具體如圖10、圖11所示：

圖10 中繼天線三個方向激振力輸入Fig.10 Input of micro-vibration forces for DRA

圖11 中繼天線三個方向激振力矩輸入Fig.11 Input of micro-vibration torques for DRA

激振輸入位置為驅(qū)動單元在雙軸驅(qū)動機構(gòu)的安裝處，天線微振動仿真結(jié)果如表3所列：

表3 中繼天線微振動仿真結(jié)果

從分析結(jié)果上可以看出天線在0～300 Hz范圍內(nèi)擾振力小于0.06 N、擾振力矩小于0.05 N·m。

3 結(jié)論

根據(jù)中繼天線微振動測試與仿真分析主要得出以下幾個結(jié)論：

1)對步進電機與直流電機進行綜合比較，直流電機的擾振特性比步進電機要好；

2)采用直流力矩電機的驅(qū)動單元微振動量級與直流力矩電機相當(dāng)；

3)從機構(gòu)的微振動測試結(jié)果和天線整體仿真結(jié)果來看，微振動的頻點與機構(gòu)以及天線的結(jié)構(gòu)頻點相關(guān)，且結(jié)構(gòu)高頻處的微振動衰減比較明顯，因此最大擾振力一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)最大激勵源方向的一階頻率處。