徐 飛，夏 彥*，何世熠，肖文磊，劉國青

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094；3. 西北核技術(shù)研究所，西安 710024； 4. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083）

0 引言

高精度微推進(jìn)器是無拖曳飛行航天器的核心技術(shù)，廣泛用于重力場測量[1]、基礎(chǔ)物理驗(yàn)證[2]等領(lǐng)域。當(dāng)前主要的無拖曳微推進(jìn)方式有電推進(jìn)[3]和冷氣推進(jìn)[4]，均采用工質(zhì)流量控制來實(shí)現(xiàn)推力控制。20 世紀(jì)末歐洲學(xué)者提出α 粒子微推進(jìn)的概念[5]，之后也有學(xué)者面向深空航行領(lǐng)域展開研究[6-7]。α 粒子微推進(jìn)是將放射性物質(zhì)以薄膜形式涂覆在航天器表面，利用其α 衰變時(shí)向空間方向出射的高能粒子形成反推力?；谠撛淼耐七M(jìn)技術(shù)具有比沖高、壽命長、功率要求低、推力比特小的特點(diǎn)，相對于太陽帆[8]、電推進(jìn)等微推進(jìn)技術(shù)具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。α 衰變具有自發(fā)性，其衰變數(shù)量無法被約束，但可以利用α 粒子的弱穿透性，通過薄層覆蓋的方式約束粒子逃脫航天器體系的數(shù)量，因此α 粒子微推進(jìn)器適用于面積控制方式。薄膜型、不消耗大量電能的α 粒子微推進(jìn)器非常適合皮納衛(wèi)星、手機(jī)星、芯片星等的微小平臺(tái)特性，能大幅延長衛(wèi)星維持在軌的壽命[9]，從而減少同功能納星的反復(fù)發(fā)射、補(bǔ)網(wǎng)需求，進(jìn)一步大幅縮減納星的應(yīng)用成本。

作者研究組近年來致力于將α 粒子推進(jìn)原理發(fā)展成可行的微推進(jìn)器技術(shù)，為皮納衛(wèi)星等微小平臺(tái)提供支持。由于皮納衛(wèi)星平臺(tái)的軌控能力有限，進(jìn)行皮納衛(wèi)星軌控的微推進(jìn)器應(yīng)具有一定范圍內(nèi)的方向可調(diào)整性，也就是具有矢量控制功能，即在任何干擾作用下都能夠根據(jù)需要控制推力矢量在所需的角度穩(wěn)定保持[10]。考慮α 衰變的物理特性，針對無拖曳飛行與皮納衛(wèi)星軌控的微推進(jìn)器需求，本文設(shè)計(jì)了α 粒子微推進(jìn)器的矢量控制結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了初步的性能分析。

1 α 衰變推力薄膜

α 粒子的最大特點(diǎn)在于穿透性很弱：以210Po 衰變的5.3 MeV α 粒子為例，其穿透自身Po 金屬的射程為23.4 μm。推力薄膜超過射程深度處產(chǎn)生的α 粒子幾乎無法逃脫薄膜進(jìn)入空間，因而不產(chǎn)生推力。α 衰變推力薄膜（α 推力薄膜）結(jié)構(gòu)見圖1，薄膜厚度應(yīng)小于α 粒子的射程，并采用金屬基底阻擋膜內(nèi)的α 粒子向應(yīng)出射方向的反向發(fā)射。課題組經(jīng)過理論計(jì)算和模擬研究，綜合考慮推力、成本和壽命，首選厚度10 μm 的210Po 薄膜作為推力面元構(gòu)成α 粒子微推進(jìn)器，該薄膜的平均推力為300 μN(yùn)/m2[11]，低地球軌道的太陽光壓約為5 μN(yùn)/m2[12]，薄膜提供的推力可輕松抵消太陽光壓的影響。

圖1 α 推力薄膜結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the α thrust film

2 推進(jìn)器控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本推力控制結(jié)構(gòu)

α 推力薄膜宜采用調(diào)整遮蓋面積的方式控制其推力，本研究設(shè)計(jì)了超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)光闌的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)此功能。如圖2 所示，超聲電機(jī)與光闌都是圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，在α 推力薄膜的正上方層疊放置，光闌在上、電機(jī)在下。光闌由旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制其中心圓孔的開度，以調(diào)整推力薄膜的遮蓋面積，實(shí)現(xiàn)對α 粒子推力大小的控制。

圖2 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)光闌剖面Fig.2 Sectional view of the diaphragm driven by ultrasonic motor

超聲電機(jī)的工作原理如圖3 所示，以一定的預(yù)壓力緊壓轉(zhuǎn)子，通過摩擦齒提供必要的正壓力。電機(jī)工作時(shí)在壓電陶瓷上施加超聲頻段的A/B 兩相、具有一定相位差的同頻等幅交流電壓，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)在定子中激發(fā)出行波，從而將電能轉(zhuǎn)換為定子的超聲振動(dòng)，再通過摩擦力將定子的振動(dòng)變成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)負(fù)載移動(dòng)，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

圖3 超聲電機(jī)的工作原理Fig.3 Working principle of the ultrasonic motor

超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)無須額外的減速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，而光闌結(jié)構(gòu)簡單，開合所需空間小，二者搭配能滿足多單元密集排布的需求，這也是矢量微推進(jìn)器上選擇超聲電機(jī)與光闌組合的原因。NASA 和JPL為了將超聲電機(jī)用于火星探測器的機(jī)械手，對超聲電機(jī)進(jìn)行了低溫和真空試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲電機(jī)能在-150 ℃的低溫和10-6Pa 的環(huán)境下工作[13]，同時(shí)不受電磁輻射干擾，因此能夠適應(yīng)空間環(huán)境。超聲電機(jī)響應(yīng)時(shí)間為ms 量級(jí)，無須減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)，可在移動(dòng)中精確定位，理論上可實(shí)現(xiàn)光闌孔徑大小的連續(xù)調(diào)整。

本例中，超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)光闌外圓半徑3.47 cm，包覆體積為37.8 cm3。光闌葉片材質(zhì)為不銹鋼，整體質(zhì)量可控制在40 g 以內(nèi)。相較于脈沖等離子體推力器（PPT）和真空弧推力器（VAT），α 粒子推進(jìn)器無須推進(jìn)劑，也不需要驅(qū)動(dòng)電源，推力完全是自發(fā)的，因此其質(zhì)量遠(yuǎn)小于前兩者，可靠度也相對較高，只需要保證對薄膜的遮蓋控制。

2.2 類半球形矢量微推進(jìn)器

類半球形結(jié)構(gòu)高精度矢量合成核能微推進(jìn)器由類半球形矢量合成支架、α 推力薄膜、面元控制開關(guān)3 部分組成，其中面元控制開關(guān)系統(tǒng)包含11 個(gè)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)光闌。合理設(shè)計(jì)超聲電機(jī)控制電路，采用多組超聲電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器即可對每個(gè)開關(guān)進(jìn)行獨(dú)立、高效的控制，實(shí)現(xiàn)微推進(jìn)器的推力矢量合成。

2.2.1 類球形矢量合成支架

支架為一外凸構(gòu)型，如圖4 所示，由6 個(gè)相同的正五邊形和5 個(gè)相同的正六邊形平面組成，與5 個(gè)相同的梯形非功能面補(bǔ)足底面共同形成小半個(gè)球面構(gòu)型。每個(gè)正五邊形和正六邊形的內(nèi)切圓外平面上均涂覆圓形的α 推力薄膜，并對應(yīng)配置超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)光闌，推力薄膜直徑與光闌最大孔徑尺寸一致并同心。正五邊形邊長5.04 cm，其內(nèi)切圓半徑3.47 cm；正六邊形邊長5.04 cm，其內(nèi)切圓半徑4.37 cm。穹頂五邊形中心的方位角為0°，外圍一圈5 個(gè)六邊形中心的方位角為37.38°，最外圍一圈5 個(gè)五邊形中心的方位角為63.43°。此時(shí)的矢量推力器的整體包覆體積小于2786 cm3，質(zhì)量可控制在1 kg 以內(nèi)。整個(gè)系統(tǒng)的11 個(gè)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)光闌各自獨(dú)立控制，某一個(gè)或幾個(gè)失效，不會(huì)影響其余的正常工作，同時(shí)由于推進(jìn)器某特定推力實(shí)現(xiàn)的面元搭配組合方案較多，不是唯一的，也不會(huì)對推進(jìn)器的推力產(chǎn)生過多影響，整體可靠度高。

圖4 半球形矢量微推進(jìn)器正面與背面Fig.4 Front and back of the hemispherical vector micro-thruster

2.2.2 基本控制方式

假定α 推力薄膜可以提供最大為F 的推力，則面元控制開關(guān)可以為每個(gè)面元提供0～F 之間的任意狀態(tài)的獨(dú)立控制，進(jìn)而可以控制多面元合力的大小和方向。面元控制開關(guān)采用對旋方式，即：控制結(jié)構(gòu)正轉(zhuǎn)，多葉結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)打開，通道擴(kuò)大，面元提供的推力變大；控制結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)，多葉結(jié)構(gòu)正轉(zhuǎn)關(guān)閉，通道縮小，面元提供的推力變小。對旋開關(guān)方式一來為面元提供了足夠的通道面積，二來控制過程即推力器動(dòng)作過程角動(dòng)量守恒，不會(huì)引起星本體角動(dòng)量變化，從而不需要星本體配合推力調(diào)整作額外的消旋、消振。

3 矢量推力分析

針對第2 章設(shè)計(jì)的方案，為簡化計(jì)算，只考慮每個(gè)α 推力薄膜全開與全關(guān)2 種情況，則有211=2048 種推力方案，可以據(jù)此計(jì)算出矢量控制結(jié)構(gòu)可輸出的推力大小與角度分布。這種計(jì)算模式暫不考慮單個(gè)推力薄膜可調(diào)，實(shí)際上超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)光闌的結(jié)構(gòu)連續(xù)可調(diào)，也即有無窮多種推力方案，則所設(shè)計(jì)推進(jìn)器理論上具有比本文計(jì)算結(jié)果更高的推力大小與角度控制精度。

推力方案可通過MatLab 軟件數(shù)學(xué)建模計(jì)算，將11 個(gè)α 推力薄膜的力進(jìn)行正交分解，經(jīng)過排列組合即可獲得所有可能性下的推力全集。我們對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，主要關(guān)注推力方案的總推力大小分布以及方向分布。

圖5 為各推力方案的總推力大小分布，可以看到，3～4 μN(yùn) 的推力方案占比最高，為33%，4～5 μN(yùn)其次，占28%，2～3 μN(yùn) 占21%，也就是說總推力集中在2～5 μN(yùn) 之間的方案占據(jù)了82%的比例。計(jì)算結(jié)果最大推力達(dá)到6.9 μN(yùn)，也即推力可在0～6.9 μN(yùn) 之間連續(xù)調(diào)整，相當(dāng)于1 個(gè)推力器矢量結(jié)構(gòu)即可基本抵消1 m2的太陽光壓阻力，而殘余大氣阻力和電磁場阻力影響可通過多個(gè)矢量結(jié)構(gòu)布局予以消除，從而實(shí)現(xiàn)無拖曳飛行所需的各種微小阻力補(bǔ)償。

將所有可能合力的方向取點(diǎn)顯示如圖6 所示，z 軸方向?yàn)橥屏γ娴姆ㄏ颍瑘D中從(0, 0, 0)點(diǎn)到每個(gè)紅點(diǎn)的矢量代表了每個(gè)力的方向，可以看出，紅點(diǎn)（矢量合力）主要集中在z 軸正向，且方位角在-90°～90°間均勻分布，而天頂角也主要集中在小角度范圍內(nèi)。實(shí)際計(jì)算得出，99%的組合方案方位角位于0°～53°之間，也即主要集中在推力薄膜的法向。

圖5 各種方案總推力大小分布Fig.5 Distribution of thrust for various combinations

圖6 矢量合力的角度分布Fig.6 Angle distributions of resultant vector force

由以上分析可知，基于基本控制單元和類半球形矢量推進(jìn)器能夠?qū)崿F(xiàn)對單元力的推力大小控制和對組合力的角度控制。通過對推力器整體尺寸的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)其他范圍約束下的方案，但本文所提出的基本控制與結(jié)構(gòu)思想仍然有效。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了α 粒子微推進(jìn)器基本推力控制結(jié)構(gòu)和矢量控制結(jié)構(gòu)，將衰變核素構(gòu)成的推力薄膜排布成利于矢量合成的類球形結(jié)構(gòu)，采用行波型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)光闌對每個(gè)推力面元進(jìn)行獨(dú)立、高效的推力大小控制，利用多個(gè)推力面元推力狀態(tài)組合的多樣性進(jìn)行推力的矢量控制。該矢量控制結(jié)構(gòu)理論上最大推力可達(dá)6.9 μN(yùn)，合力方向整體法向集中。

α 粒子微推進(jìn)器具有壽命長、無須驅(qū)動(dòng)電源、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，如果能夠妥善解決控制方式等主要的工程應(yīng)用技術(shù)問題，將會(huì)在微推進(jìn)領(lǐng)域形成一個(gè)有力的補(bǔ)充。其工程實(shí)現(xiàn)的主要難點(diǎn)一是放射性鍍膜技術(shù)的安全與防護(hù)，以及核素的獲?。欢窃谛l(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)布局，包括中和器的配套等。后續(xù)將對鍍膜工藝展開研究，同時(shí)對超聲電機(jī)進(jìn)行樣機(jī)試制與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得基本的推力數(shù)據(jù)，包括推力調(diào)節(jié)速度、推力分辨率和推力響應(yīng)時(shí)間等。