空間機械臂關節的熱設計與熱分析

劉春龍，郭 亮，胡日查，張旭升，黃 勇，吳清文，史士財

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033； 2.哈爾濱工業大學，哈爾濱150001)

1 引言

作為高端航天設備，空間機械臂直接暴露于冷黑空間環境中，主要用于設備的組裝、回收、維修以及航天員難以操作或者無法到達等特殊任務中[1-2]。

關節是空間機械臂的核心部分，是實現各種運動的直接執行部件，其結構組成如圖1 所示，主要由制動器、電機、關節轉動軸、諧波減速器、關節電箱及快換接口等組件組成[3]。 空間機械臂作為在軌艙外設備，受太陽直射、地球紅外和太陽反照等多輻射源的綜合作用。 此外，機械臂在軌工作過程中，其姿態隨時都在變化，很難確定每個關節所處位置和機械臂的姿態。 面臨如此復雜的空間熱流環境，需要對其進行精確的熱設計，以維持各結構組件溫度在允許范圍內。 關節的各組件中，電機、制動器、諧波減速器和關節電箱的熱耗較大。 模塊化的設計確保了內部組件結構緊湊，但也導致熱源集中在模塊內部、關節散熱困難等問題。 因此，獲得關節內部組件的溫度場分布是關節熱設計的重點。

谷利亞[4]對空間機械臂關節進行了在軌溫度場數值仿真分析，討論了包覆層必要性、包覆層的合適厚度以及涂層表面狀態對關節溫度的影響。 Canadarm 外表面包覆由滌綸網和聚酰亞胺膜組成的多層隔熱組件進行保溫，組件最外層面膜為白色的Beta 布，保證熱控材料免受原子氧侵蝕；在電箱和關鍵部件上設置加熱區來保證機械臂在低溫工況的溫度水平，其散熱面沿關節的圓周方向布置。 鑒于Canadarm 的成功經驗，Canadarm2 采用了相同的多層隔熱組件設計[5-6]。

本文以國內某機械臂關節為研究對象，結合自身熱特性和軌道熱環境進行詳細的熱控方案設計，并運用有限元仿真分析方法進行分析驗證。

2 熱控設計

2.1 熱控指標

關節的溫度適應范圍較大，根據結構需求，在軌服務期間，不同階段關節各組件的熱控指標如表1 所示。

表1 關節各組件的熱控指標Table 1 Temperature range of each joint component

2.2 熱環境條件

空間熱邊界：空間機械臂關節受到太陽直射、地球紅外及太陽反照等空間外熱流的影響。

內部熱源：電箱24 W、諧波減速器1.5 W、電機6 W、制動器4 W。

2.3 熱控設計

關節控制模塊(以下簡稱電箱)熱耗最高，且關節內部熱源均可以通過電箱散熱，因此在電箱頂部開設散熱面，并噴涂KS-ZA 白漆增強輻射能力，散熱面位置如圖2 所示。 KS-ZA 白漆為無機漆，空間抗輻照性能好，設計表面發射率為0.92，太陽吸收比為0.15。

圖2 關節散熱面Fig.2 Radiation surface of joint

受關節內部結構限制，電機的熱量需要經外壁筒散熱，而外壁筒和電箱是導熱安裝的，因此設計如下導熱路徑散熱：電機→電機外殼→內壁筒→外壁筒→電箱散熱面，結構示意圖如圖3 所示[7]。 各部分之間導熱連接，安裝接觸面涂抹導熱硅脂。 在結構設計中考慮散熱路徑的導熱需求，盡量增大安裝接觸面面積。

圖3 關節電機散熱示意圖[7]Fig.3 Schematic diagram of joint motor heat dissipation[7]

諧波減速器為運動部件，只能通過減小各環節的接觸熱阻，將熱量導向關節壁筒。

為減小不工作時關節的漏熱量，除刻度環、指針的指示位置、關節EVA(Extra-vehicular Activity)扶手等外露部位，其它部分均包覆20 單元多層隔熱組件。 考慮低軌艙外設備防原子氧剝蝕的需求，參考Canadarm 的成功經驗，外面膜采用白色外用型阻燃布。

關節EVA 扶手與關節外壁筒之間使用聚酰亞胺隔熱安裝，等效熱阻不小于15 ℃/W。 為減小EVA 扶手的漏熱，扶手表面鋁合金光亮陽極氧化處理，設計表面發射率為0.13，太陽吸收比為0.32。

主動控溫加熱回路采用雙回路設計，加熱回路均冷備份。 主動加熱的位置布置于關節外殼和電箱外表面，其中主份加熱回路采用雙金屬溫度繼電器進行控制，備份加熱回路采用雙金屬溫度繼電器和熱敏電阻閉環相結合的控制方式。

3 熱分析

3.1 熱模型

為驗證關節熱設計的正確性和有效性，采用有限元熱分析軟件建立了關節組件的熱模型，如圖4 所示。 共使用3064 個二維殼單元，建立了46 處熱耦合。 在不做任何熱控處理表面(干接觸表面)接觸熱導系數取300 W/(m2·K)，涂抹導熱脂的表面接觸熱導系數取1000 W/(m2·K)，多層與本體間接觸熱導系數取0.16 W/(m2·K)。 分析計算的設置參數如表2 所示。 低溫工況的選取原則：機械臂在非工作期間的姿態不固定，因此機械臂的關節散熱面朝向也不確定，根據散熱面朝向冷黑的極端情況進行計算可以覆蓋其它可能出現的低溫情況。 高溫工況的選取原則：在機械臂工作路徑尚未規劃的情況下，無法確定關節工作期間所處的位置以及散熱面和陽光之間的夾角。因此計算了多個不同光照條件下的高溫工況，分析關節處于這些條件下的可工作時間。 材料熱屬性如表3 所示[7]。

圖4 關節熱分析模型Fig.4 Thermal analytic model of joint

表2 熱分析工況設置Table 2 Conditions of thermal analysis

表3 材料主要參數Table 3 Main parameters of material

3.2 計算結果

3.2.1 低溫工況

低溫工況關節主動熱控平均功耗為14.5 W，各組件溫度曲線如圖5 所示。 關節散熱面處于陰影區、無太陽直射外熱流，因此關節電箱溫度較低，溫度控制在-30.8～-28.9 ℃范圍內。 外殼通過多層隔熱組件和關節電箱漏熱，溫度控制在-26.5～-25.2 ℃范圍內。 諧波減速器、電機和制動器在關節的內部，對冷黑空間的散熱量較小，溫度分別為-22.9 ℃、-21.2 ℃和-20.8 ℃。 結果表明，低溫工況下關節各組件溫度均能滿足存儲熱控指標要求。

圖5 低溫工況關節各組件的溫度曲線Fig.5 Temperature curve of joint parts under lowtemperature condition

3.2.2 高溫工況1

高溫工況時電箱散熱面對日，吸收的外熱流最大。 關節在最惡劣的熱環境下工作，分析計算關節各組件達到工作熱控指標的時間，為空間機械臂在軌工作時間規劃提供數據支撐。 其內部組件和外部組件瞬態溫度曲線如圖6 和圖7 所示。由圖可以看出，8 h 后電箱散熱面最高溫度73 ℃，外殼最高溫度56 ℃，出線盒最高溫度47 ℃，定子最高溫度48 ℃，軸最高溫度43 ℃，諧波減速器最高溫度42 ℃。 在工作過程中電箱散熱面連續工作7360 s(2.0 h)后將超過50 ℃，關節外殼在23 160 s(6.4 h)后超過50 ℃，其他結構滿足熱控指標要求。 計算結果表明制約關節工作時間的組件為電箱。 為延長關節工作時間，理論上可以通過繼續開大電箱散熱面的方式解決。 但未選擇繼續開大散熱面有以下2 方面考慮：①本身關節散熱面始終對日工作是非常極端的工況，選取這個工況的目的是計算關節在極限情況下工作能力；②受飛行器總體提供低溫工況補償功耗的限制，不具備繼續開大散熱面的條件。

圖6 高溫工況1 關節內部組件瞬態溫度曲線Fig.6 Transient temperature curve of internal joint parts under high-temperature condition 1

圖7 高溫工況1 關節外部組件瞬態溫度曲線Fig.7 Transient temperature curve of external joint parts under high-temperature condition 1

3.2.3 高溫工況2

該工況下關節散熱面持續正對日工作1 軌后，轉向冷黑并持續工作1 軌，再持續正對日工作1 軌，其瞬態計算結果如圖8 和圖9 所示。 由圖可以看出，此時電箱散熱面最高溫度59 ℃，外殼最高溫度44 ℃，出線盒最高溫度35 ℃，定子最高溫度39 ℃，軸最高溫度33 ℃，諧波減速器最高溫度32 ℃。 在工作過程中電箱散熱面連續工作16 000 s(4.4 h)后將超過50 ℃。

圖8 高溫工況2 關節內部組件瞬態溫度曲線Fig.8 Transient temperature curve of internal joint parts under high-temperature condition 2

圖9 高溫工況2 關節外部組件瞬態溫度曲線Fig.9 Transient temperature curve of external joint parts under high-temperature condition 2

3.2.4 高溫工況3

該工況下關節散熱面持續正對日工作1 軌后，轉向冷黑并持續2 軌，再持續正對日工作1軌。 其瞬態計算結果如圖10 和圖11 所示。 此時電箱散熱面最高溫度54 ℃，外殼最高溫度36 ℃，出線盒最高溫度29 ℃，定子最高溫度36 ℃，軸最高溫度30 ℃，諧波減速器最高溫度28 ℃。 在工作過程中電箱散熱面連續工作21 480 s(6.0 h)后將超過50 ℃。

圖10 高溫工況3 關節內部組件瞬態溫度曲線Fig.10 Transient temperature curve of internal joint parts under high-temperature condition 3

3.2.5 高溫工況4

圖11 高溫工況3 關節外部組件瞬態溫度曲線Fig.11 Transient temperature curve of external joint parts under high-temperature condition 3

該工況下關節散熱面對日，并與陽光之間的夾角始終保持20°，并連續工作8 h。 其瞬態溫度曲線如圖12 和圖13 所示。 該工況下，此時電箱散熱面最高溫度48 ℃，外殼最高溫度37 ℃，出線盒最高溫度34 ℃，定子最高溫度37 ℃，軸最高溫度31 ℃，諧波減速器最高溫度29 ℃。 按高溫工況4 的模式工作8 h，關節各組件溫度均滿足熱控指標。

圖12 高溫工況4 關節內部組件瞬態溫度曲線Fig.12 Transient temperature curve of internal joint parts under high-temperature condition 4

圖13 高溫工況4 關節外部組件瞬態溫度曲線Fig.13 Transient temperature curve of external joint parts under high-temperature condition 4

4 結論

1)低溫工況下主動熱控平均功耗為14.5 W，電箱和外殼的溫度分別控制在-30.8～-28.9 ℃和-26.5～-25.2 ℃范圍內，關節各組件溫度均能滿足存儲熱控指標要求。

2)高溫工況下限制關節工作時長的組件為電箱，在太陽直射散熱面的情況下單次最長工作時間為2.0 h；1 軌太陽直射散熱面、1 軌散熱面對陰影區的情況下最長工作時間為4.4 h；1 軌太陽直射散熱面、2 軌散熱面對陰影區的情況下最長工作時間為6.0 h；太陽光線與電箱散熱面夾角為20°時關節可工作最長時間為8.0 h。 上述計算結果可為空間機械臂在軌工作時長規劃提供數據支撐。

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