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(jì)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(jì)是一種被動(dòng)有效載荷,輻射計(jì)具有全天候,全天時(shí)等特點(diǎn),因此可以用來(lái)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(cè)中小尺度天氣現(xiàn)象如鋒面、高空急流、臺(tái)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(lái)的演變趨勢(shì)。

為了完成輻射計(jì)相關(guān)的功能就需要采取各種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成相關(guān)的任務(wù), 驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)基本功能是：在相關(guān)有效載荷發(fā)射入軌后實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作或運(yùn)動(dòng), 使得相關(guān)的有效載荷能夠完成預(yù)期的功能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)輻射計(jì)定位精度和在軌精度等起著相當(dāng)重要的作用。

1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分類(lèi)

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

2 輻射計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)[1]

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是輻射計(jì)的一個(gè)重要的子系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部分帶動(dòng)對(duì)地天線實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

（1）速度范圍較大：為保證成像的圖像質(zhì)量和圖像的實(shí)時(shí)性,應(yīng)保證目標(biāo)在天線口面范圍內(nèi)有一定的停留時(shí)間, 并通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)從而減少重復(fù)掃描的間隔時(shí)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(jì)的掃描天線口徑較大,為了保證輻射計(jì)的探測(cè)幅寬，掃描天線的口徑一般都在1 米以上甚至是更大。同時(shí)為了滿足發(fā)射階段振動(dòng)環(huán)境，需要提高掃描天線的剛度和強(qiáng)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(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所使用的場(chǎng)合決定了能源供給有限，因此在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)之初就需要對(duì)所使用的部件進(jìn)行合理的選擇來(lái)降低功耗。（4）高可靠性： 輻射計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所使用的場(chǎng)合決定了必須增加機(jī)構(gòu)的可靠性，如果驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法按要求完成相關(guān)的功能和性能那么輻射計(jì)甚至是整顆衛(wèi)星的部分或者全部功能都將喪失，因此會(huì)帶來(lái)較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。（5）高精度： 輻射計(jì)主要用來(lái)獲取目標(biāo)區(qū)域的微波或者可見(jiàn)光的圖像來(lái)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分析，如果驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度不夠那么就無(wú)法正確和有效獲得結(jié)果。

全球成像儀（GLI）的掃描鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖）是一個(gè)專(zhuān)為ADEOS-2 衛(wèi)星設(shè)計(jì)的兩維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)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(jí)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(dòng)器，其輸出軸承也被加大和隔離以增加強(qiáng)度。方位軸上還包括一個(gè)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(wú)刷直流電機(jī)和一個(gè)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?jiǎng)t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(dòng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)

3 輻射計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題[2，3]

對(duì)于輻射計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu), 有一些有特點(diǎn)的問(wèn)題是需要重點(diǎn)研究的,這些問(wèn)題同時(shí)也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。它們是：驅(qū)動(dòng)力問(wèn)題,精度分配問(wèn)題,空間環(huán)境問(wèn)題,壽命問(wèn)題。

3.1 驅(qū)動(dòng)力問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的部件確定后機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩就無(wú)法更改，因此在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)之初就需要對(duì)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行準(zhǔn)確的分配。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩是指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在靜止轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的瞬間所需要的最小的力和力矩也就是啟動(dòng)力和啟動(dòng)力矩。動(dòng)態(tài)力和動(dòng)態(tài)力矩是指維持驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)周期運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的力和力矩。通常情況下，動(dòng)態(tài)力和力矩小于靜態(tài)力和力矩。

3.2 精度分配問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度決定了輻射計(jì)載荷的精度，對(duì)于一個(gè)高精度的驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的精度因素主要是加工誤差、裝配誤差和測(cè)量誤差等。對(duì)于加工誤差可以通過(guò)合理和正確的設(shè)計(jì)進(jìn)行彌補(bǔ)，結(jié)合工程實(shí)際有效合理的分布各個(gè)零部件之間的配合誤差來(lái)提高驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度的確定各個(gè)關(guān)鍵部件的精度要求即通過(guò)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(guò)程中不可避免產(chǎn)生的誤差，裝配誤差需要通過(guò)設(shè)置有效的調(diào)整環(huán)節(jié)來(lái)提高機(jī)構(gòu)的精度，常用的調(diào)整環(huán)節(jié)有，對(duì)軸承的預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)試設(shè)置，增加調(diào)整墊片等。

3.3 空間環(huán)境問(wèn)題。輻射計(jì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)就需要考慮材料的熱脹系數(shù)匹配問(wèn)題。輻射計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)常用在高精度、高負(fù)載場(chǎng)合中，因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度就決定了輻射計(jì)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(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響主要是活動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法完成相關(guān)的功能的問(wèn)題。熱脹系數(shù)不一致可能使得活動(dòng)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?dòng)部件和固定部件之間間隙減少、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(duì)于空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所處空間環(huán)境影響的問(wèn)題目前主要是采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種辦法對(duì)機(jī)構(gòu)所處環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)控，主動(dòng)溫度調(diào)控是指在驅(qū)動(dòng)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(shí)通過(guò)加熱片的加熱功能對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。被動(dòng)溫控是指在驅(qū)動(dòng)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(guò)低。溫控漆是指在機(jī)構(gòu)的外表面涂上一層反射層用來(lái)反射陽(yáng)光的鍍層，鍍層可以減少陽(yáng)光周期性變化對(duì)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(dòng)和被動(dòng)兩種方法配合使用，很少會(huì)單獨(dú)采用一種方法。

3.4 壽命問(wèn)題。輻射計(jì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法按照既定的要求工作或者喪失工作能力，那么整個(gè)系統(tǒng)也就無(wú)法工作，因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命就決定了輻射計(jì)系統(tǒng)的壽命。影響驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命因素有很多，其中最主要的就是活動(dòng)部件和固定部件之間潤(rùn)滑問(wèn)題。目前常用的潤(rùn)滑油固體潤(rùn)滑、油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑。固體潤(rùn)滑是在活動(dòng)部件和固體部件的接觸面上涂鍍一層耐磨涂層來(lái)減少摩擦阻力延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命，固體潤(rùn)滑目前較為成熟且不需要密封，不會(huì)出現(xiàn)多余物。但是固體潤(rùn)滑的壽命只有百萬(wàn)至千萬(wàn)次轉(zhuǎn)動(dòng)，僅用在小載荷和中等壽命的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。油潤(rùn)滑作為目前延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命最長(zhǎng)的潤(rùn)滑手段經(jīng)常用在長(zhǎng)壽命、高精度等工況下，采用油潤(rùn)滑的驅(qū)動(dòng)的壽命可以達(dá)到千萬(wàn)甚至是上億次轉(zhuǎn)動(dòng)。但是因?yàn)闈?rùn)滑容易揮發(fā)，對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮密封問(wèn)題，今年國(guó)內(nèi)外對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行了相關(guān)的研究，陸續(xù)推出了無(wú)揮發(fā)性潤(rùn)滑油。

4 結(jié)論

本文對(duì)輻射計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和概括，為相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供一定的幫助。