虎 剛，徐映霞，吳金濤

（北京控制工程研究所，北京l00080）

200Nm s單框架控制力矩陀螺的熱平衡試驗(yàn)

虎 剛，徐映霞，吳金濤

（北京控制工程研究所，北京l00080）

控制力矩陀螺是一種用于大型航天器的大功率慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其熱特性不僅是影響其自身工作性能的基本因素，也是整星熱控設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。介紹了一種200Nms單框架控制力矩陀螺的熱平衡試驗(yàn)及其試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)樣機(jī)被設(shè)置了l6l個內(nèi)、外測溫點(diǎn)。在多種熱真空條件下，樣機(jī)運(yùn)行至熱穩(wěn)定狀態(tài)后，l6l個測溫點(diǎn)的溫度測量數(shù)據(jù)以及樣機(jī)的工作性能數(shù)據(jù)被記錄下來。由試驗(yàn)結(jié)果獲得了樣機(jī)運(yùn)行在不同環(huán)境溫度條件下的自身溫度分布情況，測試數(shù)據(jù)表明樣機(jī)性能未隨環(huán)境溫度條件的改變而表現(xiàn)出明顯的變化。

單框架控制力矩陀螺；熱平衡試驗(yàn)；溫度分布；熱耗

1 前 言

單框架控制力矩陀螺（Single-Gimbal Control Momentum Gyro，以下簡稱CMG）是大型長壽命航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的常用設(shè)備。為了獲得更高的效能，其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)需要選擇較高的工作轉(zhuǎn)速以獲得盡可能大的角動量。提高轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速將帶來諸多方面的技術(shù)問題，如結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度問題、軸承的疲勞問題及其潤滑壽命問題、結(jié)構(gòu)的振動及動力學(xué)問題、電機(jī)及其驅(qū)動控制問題和陀螺力矩的影響問題等等。對于這些問題來說，熱特性是一個基礎(chǔ)性的問題，亦即上述多方面問題的解決，都是以某種符合真實(shí)情況的、確定的溫度狀態(tài)為前提的。

對于CMG這種大功率且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件來說，熱問題尤為突出?！按蠊β省钡奶攸c(diǎn)使得設(shè)備自身溫度與環(huán)境溫度兩者之間的關(guān)系呈現(xiàn)了更為突出且更為復(fù)雜的“互動”特性。功能強(qiáng)大的熱分析軟件工具有助于描述這種特性，但無疑專門的試驗(yàn)研究方法總是具有無可替代的作用，CMG這種復(fù)雜設(shè)備更是如此。需要指出，對于CMG來說，熱耗的主要貢獻(xiàn)者——轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有恒定的工作轉(zhuǎn)速，這就意味著上述的“互動”關(guān)系存在著達(dá)到一種熱平衡狀態(tài)的可能，從而得以實(shí)現(xiàn)對這種平衡狀態(tài)下設(shè)備溫度特性的確定描述。為此，對在研的200Nms CMG安排了專門的熱平衡試驗(yàn)，本文將對該項(xiàng)試驗(yàn)的有關(guān)情況加以介紹，并對有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果做出相關(guān)的分析。

2 200Nm s CMG的熱設(shè)計(jì)簡介

200Nms CMG采用了較為常見的結(jié)構(gòu)配置方案[l，2]，實(shí)物如圖l所示。其結(jié)構(gòu)基本上由轉(zhuǎn)子-框架組件、框架支承-驅(qū)動組件、框架支承-導(dǎo)電環(huán)組件以及整機(jī)機(jī)座4部分構(gòu)成。其中，轉(zhuǎn)子-框架組件由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、高速電機(jī)、高速軸承及其潤滑系統(tǒng)以及框架結(jié)構(gòu)件等組成，是CMG中最為復(fù)雜、技術(shù)要求也是最高的核心組件。

圖l 200Nms CMG樣機(jī)實(shí)物及其參試狀態(tài)

CMG內(nèi)部的熱源主要是轉(zhuǎn)子-框架組件中高速軸承的摩擦損耗和高速電機(jī)的繞組銅損（合計(jì)30～40W）。此外，框架支承-驅(qū)動系統(tǒng)也產(chǎn)生少量的熱耗，包括框架電機(jī)（約lW）和減速系統(tǒng)（約0.25W）。

在200Nms CMG的設(shè)計(jì)中，除采用耐高溫材料、表面散熱處理以及增大散熱面積等一些常規(guī)熱設(shè)計(jì)方法之外，對高速軸承系統(tǒng)進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)以克服溫度條件變化對高速軸承系統(tǒng)預(yù)載的影響，以期實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能盡可能不隨環(huán)境溫度改變而變化的目標(biāo)。

圖2是200Nms CMG的熱流簡圖，標(biāo)出了相應(yīng)的主要內(nèi)部熱源及主要散熱途徑。其中，作為熱源，高速軸承的熱耗由軸承運(yùn)動副的摩擦損耗產(chǎn)生，而運(yùn)動副的流體潤滑膜除了對降低摩擦損耗具有至關(guān)重要的作用之外，其本身的存在也具有擴(kuò)大運(yùn)動副接觸面積的作用，因而是軸承內(nèi)部重要的熱傳導(dǎo)介質(zhì)。

圖2 單框架控制力矩陀螺熱流簡圖

3 熱平衡試驗(yàn)

對于200Nms CMG這種大功率部件，本項(xiàng)熱平衡試驗(yàn)的基本目的是：在覆蓋所規(guī)定的CMG工作溫度范圍的、按試驗(yàn)方案而選定的若干種環(huán)境溫度條件及真空條件下，測定CMG的運(yùn)行性能參數(shù)及其自身的溫度分布，以獲得CMG在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)性能是否正常的結(jié)論，并獲得其在工作情況下自身溫度分布的基本特征。

為此，下面給出試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3.1 試驗(yàn)溫控條件

試驗(yàn)條件以200Nms CMG相關(guān)型號的安裝條件及環(huán)境試驗(yàn)條件為主要依據(jù)。規(guī)定的CMG工作溫度條件為-5～+45℃，環(huán)境壓力低于l.3×l0-3Pa。為此選擇了-l0℃、+l0℃、+20℃、+30℃、+40℃、+45℃、+50℃共七種溫度條件以及低于l.3×l0-3Pa的真空環(huán)境作為試驗(yàn)的基本工況。

試驗(yàn)的控溫點(diǎn)設(shè)在本項(xiàng)試驗(yàn)的專用試驗(yàn)臺架上，臺架上的六個不同部位分別設(shè)置了控溫點(diǎn)，并被要求控制在同一個溫度值上。

3.2 溫度測量點(diǎn)分布

測定CMG工作條件下的內(nèi)部溫度分布是本項(xiàng)試驗(yàn)的主要目的之一。為此，試驗(yàn)方案設(shè)置了l6l個測溫點(diǎn)，其中的l3個被設(shè)置在轉(zhuǎn)子-框架組件的內(nèi)腔里，其余l(xiāng)48個分布在轉(zhuǎn)子-框架組件外表面、框架支承組件、整機(jī)機(jī)座以及整機(jī)安裝基座（試驗(yàn)臺架）等不同部位，參見圖l。因技術(shù)實(shí)現(xiàn)性的限制，高速軸系的旋轉(zhuǎn)部分未能設(shè)置測溫點(diǎn)，相關(guān)的仿真分析將是目前可行的認(rèn)識這部分溫度特性的替代方法。

3.3 樣機(jī)工作模式

試驗(yàn)方案中安排了在上述7種溫度條件下的CMG樣機(jī)性能測試。性能測試采取了將框架軸鎖定（亦即框架軸在試驗(yàn)過程中不旋轉(zhuǎn)）的簡化工作模式。這種簡化模式免去了將轉(zhuǎn)子-框架組件上的內(nèi)、外測溫點(diǎn)引線經(jīng)由導(dǎo)電環(huán)引出的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題，使得試驗(yàn)的技術(shù)難度大大降低。同時(shí)需要指出，這種簡化模式對于以熱特性為對象的試驗(yàn)?zāi)康膩碚f也是可接受的，因?yàn)榭蚣茌S工作時(shí)的熱耗僅有l(wèi)W多，比起30～40W的轉(zhuǎn)子-框架系統(tǒng)熱耗來說，將其忽略并不妨礙得出有說服力的試驗(yàn)結(jié)果。

為達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，在每一種試驗(yàn)溫度工況下，溫度穩(wěn)定后使樣機(jī)運(yùn)行至少4小時(shí)以上才開始測量有關(guān)數(shù)據(jù)，包括l6l個測溫點(diǎn)的溫度值以及高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)行工作電流。溫度穩(wěn)定以各點(diǎn)溫度連續(xù)4小時(shí)內(nèi)的單調(diào)變化率小于0.l℃/h，或溫度波動變化量小于0.5℃為判據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在從l6l個測溫點(diǎn)獲得的溫度測量數(shù)據(jù)中，圖3所示的8個位置具有表征意義，其中，

Pl是高速軸系中緊靠高速軸承的位置；

P2是轉(zhuǎn)子-框架組件內(nèi)腔里高速軸系周圍的邊緣位置；

P3是轉(zhuǎn)子-框架組件外表面上靠近高速軸系的位置；

P4是轉(zhuǎn)子-框架組件外表面上遠(yuǎn)離高速軸系及框架軸的位置；

P5是轉(zhuǎn)子-框架組件外表面上靠近框架軸的位置；

P6是框架軸本體在整機(jī)外側(cè)的某一位置；

P7是框架軸軸承座套上的某一位置；

P8是樣機(jī)在試驗(yàn)臺架安裝支腳處的位置。

這8個位置在不同溫度條件下的溫度測量結(jié)果匯總示于圖4中，由這些測量數(shù)據(jù)可以得出以下分析結(jié)論。

圖3 200Nms CMG熱平衡試驗(yàn)主要測溫點(diǎn)位置示意圖

圖4 不同溫度環(huán)境條件下的各測溫點(diǎn)溫度實(shí)測值

在各種試驗(yàn)溫度條件下，高速軸承的最高溫度情況出現(xiàn)在+50℃試驗(yàn)條件下，達(dá)到62.l℃，這個溫度對于高速軸承來說是可接受的；

從高速軸承到其周圍邊緣部位之間的溫度梯度ΔTP2-Pl并不大（各種溫度條件下，從-l.l℃到-l.7℃不等），這反映出高速軸承周圍的熱阻較小，散熱通道有效。

在不同溫度條件下，框架本體外表面的幾個位置之間的溫差，ΔTP5-P3和ΔTP4-P3從-l.0℃到-2.l℃不等，而相應(yīng)條件下的ΔTP5-P4則分布在-0.4℃到0.0℃之間，表明框架本體的溫度除在靠近高速軸系附近局部略高一些之外，整體上具有較好的溫度均勻性。均勻的溫度分布將意味著框架本體不至于因轉(zhuǎn)子系統(tǒng)溫升而導(dǎo)致明顯的整體結(jié)構(gòu)熱變形。

框架支承系統(tǒng)部位的測量結(jié)果顯示出了較大的溫度梯度。各種溫度條件下，框架軸承座套與框架軸之間的溫差ΔTP7-P6在-6.3℃到-l5.l℃之間。因此，框架軸承成為整個樣機(jī)中熱阻最大的部分。對于框架軸承這種低速運(yùn)動副來說，這種溫度梯度是可以接受的，類似的低速機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)專門試驗(yàn)驗(yàn)證了其在遠(yuǎn)高于l5℃的內(nèi)外溫度梯度情況下仍能正常工作的能力。

各種溫度條件下，框架軸承座套與整機(jī)安裝支腳之間的溫差ΔTP8-P7也不大（在-l.0℃到-2.2℃之間），顯示出整機(jī)與試驗(yàn)臺架之間存在較小的熱阻，從而表明整機(jī)對外機(jī)械接口的散熱功能是適當(dāng)?shù)摹?/p>

高速電機(jī)工作電流的有關(guān)測試結(jié)果如表l所示。

表1 不同溫度條件下的高速電機(jī)工作電流

測試結(jié)果顯示出，高速轉(zhuǎn)子組件的功耗在-l0℃～+50℃的溫度變化范圍內(nèi)有最大4.5W的變化量，在+l0℃～+50℃的范圍內(nèi)有最大2.3W的變化量，而同一溫度條件下長時(shí)間運(yùn)行的功耗變化量最大為0.9W。這表明，在從-l0℃～+50℃的熱真空環(huán)境條件下，高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的功耗均滿足規(guī)定的功耗要求（＜50W），且在不同溫度下的工作電流指標(biāo)具有較好的一致性。

-l0℃低溫條件下功耗稍高的結(jié)果反映了一種對活動部件來說較為普遍的現(xiàn)象。其原因較為復(fù)雜，涉及軸系零件機(jī)械特性、潤滑介質(zhì)粘滯特性、零件接觸特性及熱阻等多方面性能的低溫特征。就本項(xiàng)試驗(yàn)的測試結(jié)果來看，這一現(xiàn)象與整機(jī)溫度分布的特點(diǎn)（參見圖4）之間表現(xiàn)出了一定的相關(guān)性。

5 結(jié) 論

本文以一種200Nms單框架控制力矩陀螺樣機(jī)的專項(xiàng)熱平衡試驗(yàn)為對象，通過對其熱流狀態(tài)的分析，提取了試驗(yàn)結(jié)果中8個典型測溫點(diǎn)在7種溫度條件下的溫度測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明，在覆蓋其規(guī)定工作溫度范圍的多種環(huán)境溫度條件下，該樣機(jī)因工作狀態(tài)下高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的溫升均是可接受的，其中，高速軸系至框架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)本體以及整機(jī)機(jī)殼至試驗(yàn)臺架等部分所形成的溫度梯度都很小，表明這些部分較好地實(shí)現(xiàn)了散熱通道的功能，且框架結(jié)構(gòu)主體較好的溫度均勻性也意味著框架本體不至于因轉(zhuǎn)子系統(tǒng)溫升而導(dǎo)致明顯的整體結(jié)構(gòu)熱變形?？蚣茌S系本身是整個樣機(jī)中熱阻較大的部分，但這對于框架軸承這種低速運(yùn)動副來說是可以接受的。此外，高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各種溫度條件下的穩(wěn)態(tài)工作性能測試數(shù)據(jù)也表明其支承系統(tǒng)的性能具有良好的溫度適應(yīng)性。

[l]Yarber GW，Cbang K T，Kukel J.Control momentum gyro optimization study[R].NASA Contractor Report，NASA CR-400，N66-l946l，March l966

[2]Fikes E H.Controlmomentum gyro for skylab[R].TM X-64583，March l9，l97l

Therm a1Ba1ance Test on a 200Nm s Sing1e-Gim ba1CMG

HU Gang，XU Yingxia，WU Jintao
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100080，China）

The single-gimbal control momentum gyro（SGCMG）is an ample power inertial actuator used for large structure spacecrafts.The thermal characteristic of SGCMG is not only the foundational influencing factor to its performance，but also an important issue to be considered in the thermal control design of the spacecraft.In this paper，a thermal balance test and the related measurement results for a 200Nms single-gimbal control momentum gyro have been introduced.l6l thermometers are laid at different position on the inner and outer surface of the tested device.Under several different thermal vacuum conditions，the device has been controlled to run for enough time to reach the thermal-balance state.The measured temperature data of the l6l thermometers and the performance data of the device have been recorded.The measurement results reveal the temperature distributions of the device operated under different conditions，and show no evident dependence of the performance of the device on the environmental temperature condition.

single-gimbal control momentum gyro；thermal balance test；temperature distribution；heat dissipation

V24l.5+5l

A

l674-l579（2008）0l-0025-04

2007-l2-08

虎剛（l965-），男，新疆人，研究員，研究方向?yàn)楹教炱骺刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)（e-mial：hugang@bice.org.cn）。