張樸真， 何永強(qiáng)， 徐燕菱， 楊建中， 冀 巍

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部， 北京 100094； 2.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所， 天津 300301）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)，深空探測(cè)再次迎來發(fā)展高峰期[1]。 自2003 年以來，各航天強(qiáng)國(guó)紛紛推出新的深空探測(cè)發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃和計(jì)劃，并力求建立全球空間探測(cè)戰(zhàn)略與結(jié)構(gòu)體系，為了尋找天體中水和生命的跡象，實(shí)現(xiàn)一系列科學(xué)目標(biāo)，全面展開對(duì)整個(gè)太陽(yáng)系以及更遠(yuǎn)深空的探測(cè)。

隨著深空探測(cè)任務(wù)越來越復(fù)雜，任務(wù)周期越來越長(zhǎng)，也暴露出了一系列問題[2]，特別是對(duì)于任務(wù)周期超長(zhǎng)的小天體采樣探測(cè)，超長(zhǎng)的任務(wù)周期、超遠(yuǎn)的器地距離與不斷變化的太陽(yáng)高度角、器地連線方向、有效載荷探測(cè)方向等要求指向機(jī)構(gòu)具有極高的精度，同時(shí)具有極高的可靠性，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定指向。

指向機(jī)構(gòu)是指通過單軸或多軸轉(zhuǎn)動(dòng)使負(fù)載具備特定的姿態(tài)的裝置。 指向機(jī)構(gòu)一般由壓緊釋放機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)組件、傳動(dòng)組件、控制組件、連接結(jié)構(gòu)等組成[3]。 指向機(jī)構(gòu)是深空探測(cè)器的重要組成部分，例如太陽(yáng)翼、定向天線、桅桿等。

與近地軌衛(wèi)星機(jī)構(gòu)相比，深空探測(cè)器指向機(jī)構(gòu)具有以下特殊性：①空間特殊環(huán)境的適應(yīng)性：極端高低溫交變，塵埃云與高能粒子，行星表面重力場(chǎng)、磁場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)及塵埃等，均會(huì)對(duì)航天器材料力學(xué)性能、表面狀態(tài)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副摩擦力、電子元器件功能與壽命等造成影響，進(jìn)而影響空間機(jī)構(gòu)的可靠性和安全性。因此，相比于一般的空間機(jī)構(gòu)，深空探測(cè)器指向機(jī)構(gòu)需在繼承性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上針對(duì)空間環(huán)境；②不可維修性：雖然隨著空間技術(shù)的發(fā)展，航天飛機(jī)、空間站等飛行任務(wù)實(shí)現(xiàn)了空間飛行器的在軌維修、 更換和維護(hù)，但從人類的現(xiàn)有技術(shù)水平來看，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)深空探測(cè)機(jī)構(gòu)都不具有在軌維修和更換的可能性。 因此，相比于一般空間機(jī)構(gòu)，深空探測(cè)器指向機(jī)構(gòu)需要考慮材料疲勞、老化等壽命問題，確保能在規(guī)定的壽命時(shí)期內(nèi)可靠地工作；③輕質(zhì)要求：由于極高的發(fā)射成本，深空探測(cè)器對(duì)部組件重量、體積要求極為嚴(yán)苛，指向機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧極高可靠性需求與最小的重量、體積代價(jià)；④功耗限制：探測(cè)器與太陽(yáng)距離的增大，單位面積的太陽(yáng)能功率低，能源緊張，對(duì)部件和設(shè)備功耗有嚴(yán)格的限制，指向機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)組件設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧裕度與功耗。 針對(duì)上述特殊性，我們必須采取針對(duì)性的措施，在有限的質(zhì)量、功耗資源下提升指向機(jī)構(gòu)的可靠性。

1 設(shè)計(jì)

1.1 材料及工藝選取

深空探測(cè)器指向機(jī)構(gòu)材料的選用， 需根據(jù)載荷條件及使用工況確定材料的剛度、強(qiáng)度、熱匹配性需求，在符合航天標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)選目錄中選取合適的材料范圍， 根據(jù)其空間環(huán)境適應(yīng)性選取合適的熱處理、表面處理工藝，并使材料密度最低，并在經(jīng)過認(rèn)證的生產(chǎn)廠家、規(guī)格及技術(shù)條件目錄中選用， 且該材料應(yīng)經(jīng)過飛行驗(yàn)證或開展了相應(yīng)的鑒定試驗(yàn)。

1.2 潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

深空探測(cè)面臨±100℃甚至更寬的溫度交變環(huán)境，而溫度直接影響潤(rùn)滑材料的性能， 空間潤(rùn)滑設(shè)計(jì)對(duì)保證指向機(jī)構(gòu)在空間環(huán)境中的正常運(yùn)行至關(guān)重要。 指向機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑主要集中在驅(qū)動(dòng)組件、傳動(dòng)組件中，具體部位主要包括軸承、行星減速器和諧波減速器。 由于潤(rùn)滑油、脂在低于傾點(diǎn)下會(huì)發(fā)生粘滯甚至卡死， 因此深空探測(cè)器指向機(jī)構(gòu)通常采用固體潤(rùn)滑或脂潤(rùn)滑+熱控措施。

（1）軸承的潤(rùn)滑。 驅(qū)動(dòng)組件電機(jī)端和傳動(dòng)組件中的深溝球軸承的潤(rùn)滑采用溝道濺射MoS2基復(fù)合潤(rùn)滑膜作為初始潤(rùn)滑膜并輔以PTFE 基自潤(rùn)滑保持架的固體潤(rùn)滑方式。

（2）行星減速器、諧波減速器的潤(rùn)滑。 行星減速器與諧波減速器通常單獨(dú)或組合使用， 一般在齒面采用表面濺射MoS2固體潤(rùn)滑； 或在齒面采用表面處理提升硬度+潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑方式，并采用防爬移技術(shù)，防止?jié)櫥呐酪茡p失。由于環(huán)境溫度低于潤(rùn)滑脂傾點(diǎn)溫度時(shí)，需使用主動(dòng)熱控措施加熱潤(rùn)滑部位至傾點(diǎn)溫度以上機(jī)構(gòu)才能正常運(yùn)行，功耗大且時(shí)間長(zhǎng)，因此一般情況下還是以固體潤(rùn)滑為主。

1.3 防塵設(shè)計(jì)

小天體表面附著的大量松軟土壤或塵埃容易在探測(cè)器著陸或采樣過程中被激勵(lì)以至飛濺，火星等固態(tài)行星在風(fēng)場(chǎng)作用下往往形成揚(yáng)塵甚至沙塵暴現(xiàn)象。顆粒物一旦進(jìn)入軸承或減速器嚙合面會(huì)加劇磨損形成更多顆粒甚至導(dǎo)致卡死。因此需在指向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)和固定分離面上采用迷宮式密封加接觸式密封的結(jié)構(gòu)型式。

迷宮設(shè)計(jì)就是通過多個(gè)拐角和小的間隙， 構(gòu)成類似迷宮的結(jié)構(gòu)，防止小顆粒直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)入。接觸式密封設(shè)計(jì)采用潤(rùn)滑性能好的聚四氟乙烯材料加工一個(gè)密封環(huán)，放置在固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分之間， 通過微過盈的尺寸控制將聚四氟乙烯微壓縮，封死與外界的空間通道，避免通過迷宮的顆粒進(jìn)入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸系。 由于聚四氟乙烯材料與密封面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，因此要求摩擦表面需光滑，且要控制聚四氟乙烯的過盈量， 避免較大的應(yīng)力產(chǎn)生過多的聚四氟乙烯磨屑。

通常驅(qū)動(dòng)組件殼體外表面會(huì)整體包覆隔熱材料，本身也可以作為第一層遮擋，能夠阻擋絕大部分顆粒，大大減少了顆粒進(jìn)入驅(qū)動(dòng)組件的可能性。

1.4 冗余設(shè)計(jì)

除了對(duì)特定的空間環(huán)境與工況采取特殊設(shè)計(jì)外，需要在質(zhì)量約束下，以確保重要功能為目標(biāo)，對(duì)指向機(jī)構(gòu)的重要組成部分采取熱備份或冷備份的措施， 進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)的可靠性。指向機(jī)構(gòu)的主要功能是入軌前可靠壓緊，在軌后可靠解鎖，工作過程中在一定角度范圍內(nèi)可靠、安全運(yùn)行。

針對(duì)壓緊、解鎖問題，壓緊釋放機(jī)構(gòu)所使用的火工品通常具備雙點(diǎn)火器，只要一個(gè)點(diǎn)火器發(fā)火，即可動(dòng)作。 同時(shí)點(diǎn)火器系鈍感型電點(diǎn)火器，長(zhǎng)時(shí)間施加小電流不發(fā)火，短時(shí)間大電流瞬時(shí)發(fā)火，同時(shí)具備良好的抗靜電能力。

針對(duì)可靠運(yùn)行問題，在驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì)中，對(duì)驅(qū)動(dòng)源即（電機(jī)）、測(cè)角元件（旋轉(zhuǎn)變壓器）可采取使用雙繞組備份設(shè)計(jì)。 并在控制器中對(duì)控制電路及各功能電路也采用一主一備的冗余設(shè)計(jì)，與繞組一一對(duì)應(yīng)，必要時(shí)也可以交叉使用。

針對(duì)在一定角度范圍內(nèi)安全運(yùn)行的問題， 控制器軟件根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的實(shí)時(shí)角度，設(shè)計(jì)了軟件限位，當(dāng)驅(qū)動(dòng)組件運(yùn)動(dòng)角度超過一定角度（例如0.5°）以上時(shí)會(huì)觸發(fā)軟件限位開關(guān)，并產(chǎn)生限位信號(hào)，提供給控制電路，控制電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)，在略大于軟件限位角度的位置，設(shè)置了機(jī)械硬限位以確保安全。

2 分析

以火星表面探測(cè)器為例對(duì)指向機(jī)構(gòu)的力矩裕度與可靠度進(jìn)行定量計(jì)算。

2.1 裕度分析

根據(jù)驅(qū)動(dòng)力矩、阻力矩、重力矩等驅(qū)動(dòng)特性，如表1所示，對(duì)其火星工作工況下、地面試驗(yàn)工況下的靜力矩裕度與動(dòng)力矩裕度進(jìn)行分析。

表1 指向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)特性匯總表Tab.1 Summary of the pointing mechanism’s driving characteristics

靜力矩裕度按公式（1）[4]計(jì)算，并應(yīng)不小于1.75：

其中T驅(qū)、T重、T慣、T阻分別為驅(qū)動(dòng)力矩、重力矩、慣性力矩、阻力矩。

火星重力環(huán)境下的靜力矩裕度按公式（2）計(jì)算，并應(yīng)不小于0.5：

通過計(jì)算，指向機(jī)構(gòu)各軸的力矩裕度如表2 所示。

表2 指向機(jī)構(gòu)各軸力矩裕度Tab.2 Moment margin of the pointing mechanism’s axes

由計(jì)算可知，火星重力環(huán)境下，指向機(jī)構(gòu)各軸均滿足靜力矩裕度和保持力矩裕度要求。地球重力環(huán)境下，軸系A(chǔ) 重力矩大于驅(qū)動(dòng)力矩和保持力矩， 不滿足靜力矩裕度和保持力矩裕度的要求，因此在地面測(cè)試過程中，需要對(duì)該軸采取重力卸載措施，避免不必要的損傷。

2.2 可靠性定量分析

為了定量分析指向機(jī)構(gòu)的可靠性， 需要對(duì)機(jī)構(gòu)的整個(gè)任務(wù)剖面進(jìn)行分析， 并明確成功定義， 建立可靠性模型，并對(duì)各部分可靠性進(jìn)行賦值，通過運(yùn)算獲取整個(gè)機(jī)構(gòu)的可靠性[5]。

2.2.1 任務(wù)剖面

指向機(jī)構(gòu)從發(fā)射直到著陸火星工作，可以按照飛行過程和著陸工作階段兩個(gè)時(shí)間剖面進(jìn)行可靠性分析，見表3。

表3 指向機(jī)構(gòu)任務(wù)剖面Tab.3 Mission profiles of the pointing mechanism

與一般空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品比較，火星指向機(jī)構(gòu)的特殊性主要在于環(huán)境條件，對(duì)機(jī)構(gòu)可靠性提出了更高的要求，包括：

（1）探測(cè)器在軌時(shí)間長(zhǎng)，指向機(jī)構(gòu)在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間軌道環(huán)境條件下的貯存后才開始運(yùn)動(dòng)，即地火轉(zhuǎn)移不超過12個(gè)月；環(huán)火飛行不超過6 個(gè)月；火星表面運(yùn)行90 個(gè)火星日（約92 個(gè)地球日）。

（2）指向機(jī)構(gòu)產(chǎn)品要承受著陸火星的沖擊載荷及火星重力。

（3）指向機(jī)構(gòu)產(chǎn)品要承受火星工作溫度條件，更為惡劣。

（4）火星上存在大氣，會(huì)出現(xiàn)塵暴天氣，因此對(duì)產(chǎn)品防塵能力的要求較高。

2.2.2 成功定義

指向機(jī)構(gòu)任務(wù)成功定義，見表4。

表4 指向機(jī)構(gòu)任務(wù)成功定義Tab.4 Mission success definition to the pointing mechanism

2.2.3 可靠性模型建立

根據(jù)指向機(jī)構(gòu)的工作模式， 其各組成部分基本上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可靠性框圖如圖1 所示。

圖1 指向機(jī)構(gòu)可靠性框圖Fig.1 Reliability block diagram of the pointing mechanism

2.2.4 可靠性預(yù)計(jì)

指向機(jī)構(gòu)可靠度預(yù)計(jì)見表5。

表5 指向機(jī)構(gòu)可靠度預(yù)計(jì)表Tab.5 Reliability prediction of the pointing mechanism

指向機(jī)構(gòu)在軌飛行階段的可靠度由壓緊釋放裝置的壓緊可靠度決定。壓緊釋放裝置經(jīng)過預(yù)緊后為剛性連接，可認(rèn)為可靠度近似為1，因此指向機(jī)構(gòu)飛行階段的可靠度為1。

指向機(jī)構(gòu)在火星表面工作的可靠度由壓緊釋放機(jī)構(gòu)、軸系A(chǔ)、軸系B 和軸系C 的可靠度決定，因此指向機(jī)構(gòu)在火星表面工作階段的可靠度為四者可靠度之積，即0.9978。

3 試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)與分析滿足工程需要后，需對(duì)樣機(jī)進(jìn)行完整的鑒定試驗(yàn)，確保其部件、組件均能滿足要求并驗(yàn)證設(shè)計(jì)與分析結(jié)果。試驗(yàn)過程中，力、熱等工況加載方式盡量模擬真實(shí)邊界，載荷量級(jí)需考慮一定裕度，具體試驗(yàn)項(xiàng)目見表6。

表6 試驗(yàn)項(xiàng)目Tab.6 Test items

4 結(jié)論

本文對(duì)深空探測(cè)器指向機(jī)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與分析、試驗(yàn)工作進(jìn)行了探討，并以火星探測(cè)器指向機(jī)構(gòu)為例，給出了其力矩裕度與可靠性定量計(jì)算方法， 同時(shí)給出了試驗(yàn)驗(yàn)證方案， 可以為后續(xù)深空探測(cè)器指向機(jī)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提供有益參考。