空間紅外遙感器定標(biāo)機(jī)構(gòu)故障應(yīng)急退出裝置

賈慧麗，趙 鑫，于婷婷

(1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.北華航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

衛(wèi)星或航天器搭載的定標(biāo)機(jī)構(gòu)的工作原理是通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)漫反射板，使得太陽(yáng)光反射進(jìn)入光路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外短波紅外譜段的譜段標(biāo)定[1-2]。在軌進(jìn)行定標(biāo)過(guò)程中，電機(jī)或控制電路故障會(huì)造成漫反射板無(wú)法正常轉(zhuǎn)回初始位置，進(jìn)而遮擋成像光路，最終導(dǎo)致整個(gè)成像系統(tǒng)失效。因此，在工程實(shí)現(xiàn)上，需要設(shè)計(jì)應(yīng)急退出裝置，避免定標(biāo)機(jī)構(gòu)故障情況下相機(jī)成像系統(tǒng)失效。

傳統(tǒng)的星載定標(biāo)機(jī)構(gòu)中的鎖定與解鎖復(fù)位結(jié)構(gòu)包括機(jī)械鎖和電磁鐵裝置。機(jī)械鎖通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪推動(dòng)一端帶有頂尖的伸縮桿。凸輪在高點(diǎn)時(shí)，頂尖與活動(dòng)部件接觸以實(shí)現(xiàn)鎖定；凸輪在低點(diǎn)時(shí)，頂尖與活動(dòng)部件分離以實(shí)現(xiàn)解鎖。鎖定和解鎖過(guò)程均需給電機(jī)通電。電磁吸合裝置通過(guò)加電時(shí)產(chǎn)生的磁力將活動(dòng)部件上的鐵塊吸住以實(shí)現(xiàn)鎖定，兩者不直接接觸，之間存在一定間隙，斷電后磁力消失以實(shí)現(xiàn)解鎖。機(jī)械鎖和電磁鐵裝置體積較大、質(zhì)量較重，需要使用電機(jī)、電磁鐵等驅(qū)動(dòng)設(shè)備，可靠性受到影響。

記憶合金由于其特殊的形狀記憶功能，常被用于驅(qū)動(dòng)器中[3]。目前，國(guó)內(nèi)外已利用記憶合金驅(qū)動(dòng)力大的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了多種鎖定與解鎖機(jī)構(gòu)[4-10]。但由于受空間和記憶合金收縮率的限制，驅(qū)動(dòng)的位移量有限，記憶合金在機(jī)構(gòu)齒輪副分離方面的應(yīng)用未見報(bào)道。

本文結(jié)合我國(guó)某型號(hào)遙感器定標(biāo)機(jī)構(gòu)的故障應(yīng)急需求，設(shè)計(jì)了一種基于記憶合金的退出裝置。研制產(chǎn)品通過(guò)了環(huán)境試驗(yàn)，其功能和性能得到了充分驗(yàn)證。該裝置具有很大的工程應(yīng)用潛力，為航天器機(jī)構(gòu)的故障應(yīng)急提供了一種新方式。

1 方案設(shè)計(jì)

應(yīng)急退出裝置主要由記憶合金組件和卷簧組件2部分構(gòu)成，如圖1所示。記憶合金組件由記憶合金棒、加熱棒、杠桿、齒輪拖出夾和支撐座構(gòu)成，用于驅(qū)動(dòng)齒輪退出嚙合系統(tǒng)；卷簧組件由卷簧軸和卷簧組成，用于帶動(dòng)負(fù)載復(fù)位。

圖1 應(yīng)急退出裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of emergency exit device

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使退出裝置在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)齒輪拖出和機(jī)構(gòu)復(fù)位的功能，保證退出的可靠性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取以下措施：

1) 將記憶合金棒設(shè)計(jì)為中空，在內(nèi)部封裝加熱棒，作為驅(qū)動(dòng)源。為保證記憶合金棒受熱后收縮順暢，在支撐座內(nèi)孔四周安裝聚酰亞胺薄片滑塊，以減小運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。

2) 為保證主動(dòng)齒輪完全被拖出嚙合系統(tǒng)，需要將記憶合金的收縮位移通過(guò)杠桿組件放大4倍。將記憶合金組件與齒輪拖出夾分別安裝在杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)臂的兩端。在轉(zhuǎn)動(dòng)臂兩端設(shè)計(jì)腰形孔，以保證轉(zhuǎn)動(dòng)行程，如圖2所示。對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)臂做整體防冷焊處理。

圖2 杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)腰形孔設(shè)計(jì)原理圖(mm)Fig.2 Design of lever waist hole(mm)

3) 為保證主動(dòng)齒輪拖出自如，且滿足強(qiáng)度要求，主動(dòng)齒輪選用鈦合金材料，表面濺射MoS2固體潤(rùn)滑防冷焊膜。主動(dòng)齒輪與齒輪分離軸通過(guò)一長(zhǎng)鍵連接，該長(zhǎng)鍵既可用于力矩傳遞，又可作為齒輪拖出行程的導(dǎo)向。

4) 卷簧作為齒輪分離后的復(fù)位驅(qū)動(dòng)源，在安裝前需進(jìn)行預(yù)緊。齒輪分離后，卷簧預(yù)緊力克服負(fù)載阻力矩，將漫反射板帶回初始位，以避免遮擋光路。為防止卷簧圈間真空冷焊，在表面涂覆MoS2防冷焊涂層。

1.2 工作原理

在完成地面測(cè)試和衛(wèi)星入軌后，紅外光學(xué)遙感器在每次對(duì)地成像時(shí)都需要進(jìn)行定標(biāo)。此時(shí)，電機(jī)通過(guò)二級(jí)減速裝置帶動(dòng)漫反射板繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，到達(dá)定標(biāo)位置。

當(dāng)電機(jī)或控制電路出現(xiàn)故障，導(dǎo)致漫反射板遮擋光路，需要啟動(dòng)應(yīng)急退出模式時(shí)，對(duì)加熱棒通電一定時(shí)間。當(dāng)加熱棒溫度升高到80 ℃以上時(shí)，通過(guò)熱傳導(dǎo)，記憶合金棒達(dá)到相變溫度并恢復(fù)到記憶的原始形狀。記憶合金棒在收縮過(guò)程中帶動(dòng)杠桿組件的杠桿臂旋轉(zhuǎn)一定角度，從而帶動(dòng)齒輪拖出夾運(yùn)動(dòng)，使得主動(dòng)齒輪沿鍵脫離出嚙合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)其與轉(zhuǎn)軸連接的大齒輪脫離。

將卷簧軸心固定在支架上，調(diào)好卷簧的預(yù)緊力后，將卷簧外端尾部用銷固定在漫反射板轉(zhuǎn)動(dòng)支臂上，如圖3所示。隨著漫反射板轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增大，儲(chǔ)存一定的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)齒輪分離后，漫反射板在卷簧儲(chǔ)蓄轉(zhuǎn)矩的作用下，克服軸承摩擦力矩(真空下漫反射板的重力矩為0)，繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸返回初始位置，從而避免漫反射板遮擋光路，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急退出功能。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)在軌使用需求和地面試驗(yàn)需要，應(yīng)急退出裝置必須滿足以下幾點(diǎn)要求：

1) 加熱棒的額定工作功耗為45 W，應(yīng)使得記憶合金棒達(dá)到相變溫度≥80 ℃。

2) 記憶合金的收縮量為5.0～5.5 mm，在杠桿放大作用下，滿足主動(dòng)齒輪的退出行程15 mm。

3) 卷簧儲(chǔ)蓄的轉(zhuǎn)矩作為負(fù)載力矩的一部分，應(yīng)滿足機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩裕度的要求；此外，卷簧儲(chǔ)蓄的轉(zhuǎn)矩作為復(fù)位驅(qū)動(dòng)源，應(yīng)滿足復(fù)位時(shí)克服軸承摩擦力矩的裕度要求。

針對(duì)上述3條技術(shù)要求，從加熱棒、記憶合金-杠桿和卷簧3方面對(duì)機(jī)構(gòu)重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 加熱棒設(shè)計(jì)

為保證加熱棒的傳導(dǎo)效率，將記憶合金棒設(shè)計(jì)為中空管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為6 mm，外徑為9 mm。將加熱棒設(shè)計(jì)為桿狀結(jié)構(gòu)，外徑為6 mm，總長(zhǎng)為130 mm，采用雙鎧裝工藝，在內(nèi)部填充氧化鎂導(dǎo)熱絕緣材料。在加熱棒與記憶合金棒間填充導(dǎo)熱硅脂，一端用銷釘連接固定，另一端無(wú)約束，以保證記憶合金的收縮性能，如圖4所示。加熱棒工作的穩(wěn)定功耗為45 W，額定電壓為28 V。

圖4 加熱棒和記憶合金棒設(shè)計(jì)Fig.4 Design of heating rod and memory alloy rod

2.2 記憶合金-杠桿設(shè)計(jì)

記憶合金棒由鈦鎳形狀記憶合金制成，收縮位移量為δl。為保證完全拖出，需通過(guò)杠桿進(jìn)行位移放大。設(shè)計(jì)杠桿的放大比例為α，齒輪的拖出位移量為lc，需滿足

lc>δl·α

(1)

受空間限制，記憶合金棒有效伸長(zhǎng)段為130 mm，可收縮的位移量為5.0～5.5 mm。主動(dòng)齒輪的齒寬為15 mm。設(shè)計(jì)杠桿的放大比例為4∶1。因此，齒輪的拖出位移可達(dá)20～22 mm，滿足拖出位移量要求，安全系數(shù)S1為1.30～1.47。

2.3 卷簧設(shè)計(jì)

在空間環(huán)境下，不考慮漫反射板的重力影響。卷簧驅(qū)動(dòng)漫反射板復(fù)位時(shí)，僅需克服一對(duì)7002C角接觸球軸承的摩擦力矩Mzc。另外，卷簧儲(chǔ)蓄的轉(zhuǎn)矩Tj還應(yīng)滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩裕度的要求，即滿足

Tjmin≥Mzc

(2)

(3)

Tjmax=Tj0+Cθ

(4)

根據(jù)固體潤(rùn)滑軸承推薦預(yù)載，考慮安全系數(shù)，摩擦力矩Mzc≤40 mN·m。電機(jī)額定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T電=700 mN·m。機(jī)構(gòu)為兩級(jí)傳動(dòng)，總減速比i=64，傳動(dòng)效率η按0.9計(jì)算。M1為折合到電機(jī)軸上的系統(tǒng)慣性力矩，M1=53.7 mN·m。M2為折合到電機(jī)軸上的軸承摩擦力矩，考慮受力和熱變形影響，經(jīng)計(jì)算，M2=25.1 mN·m。

根據(jù)式(2)～(4)，計(jì)算得到卷簧提供轉(zhuǎn)矩Tjmin≥40 mN·m，卷簧隨漫反射板轉(zhuǎn)動(dòng)129°后，儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)矩Tjmax≤5.04 N·m。

因此，卷簧設(shè)計(jì)使用帶狀QBe2.0材料，帶寬為12 mm，厚為1.2 mm，圈數(shù)為6.375，圈間距離為4 mm，圈間接觸面涂MoS2防冷焊潤(rùn)滑涂層[11]。設(shè)計(jì)卷簧剛度C=2.33 mN·m/(°)，預(yù)緊角度θ0=214°，則卷簧的初始預(yù)緊力矩Tj0=498 mN·m，轉(zhuǎn)動(dòng)129°到位后的預(yù)緊力矩Tjmax=799 mN·m，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩裕度S2-1=5.9>3。參數(shù)設(shè)計(jì)滿足負(fù)載力矩要求，且滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩裕度的要求。

基于以上三方面的設(shè)計(jì)和分析，得到的應(yīng)急退出裝置的關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 應(yīng)急退出裝置參數(shù)表

3 性能試驗(yàn)

3.1 記憶合金收縮試驗(yàn)

記憶合金收縮試驗(yàn)用于驗(yàn)證記憶合金棒的收縮性能。記憶合金棒的收縮位移是應(yīng)急退出裝置實(shí)現(xiàn)功能的重要驅(qū)動(dòng)源。驗(yàn)收時(shí)，將記憶合金棒同批次產(chǎn)品按照實(shí)際裝配狀態(tài)進(jìn)行安裝，并給加熱棒通電，分別測(cè)試記憶合金的收縮量、加熱時(shí)間和收縮時(shí)的溫度，結(jié)果見表2，均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 記憶合金收縮性能測(cè)試結(jié)果

3.2 卷簧剛度測(cè)試

卷簧測(cè)試使用的儀器為YT-2鉸鏈測(cè)試儀。傳感器量程為3 N·m。角速度為9 (°)/s。測(cè)試時(shí)，將平面渦卷彈簧安裝在測(cè)試工裝上，與鉸鏈測(cè)試儀接好，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角與扭矩間的關(guān)系。測(cè)試范圍為0°～360°。得到卷簧的剛度曲線，如圖5所示。要求同一卷簧測(cè)試剛度值C=(2.33±0.35) mN·m/(°)。連續(xù)測(cè)試4次，并按編號(hào)記錄后3次的測(cè)量值，計(jì)算平均值，具體測(cè)試結(jié)果見表3。

圖5 卷簧剛度曲線Fig.5 Coil spring stiffness curve

3.3 退出試驗(yàn)

驗(yàn)證退出功能時(shí)，先給電機(jī)和控制電路加電，使漫反射定標(biāo)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)于定位狀態(tài)，再啟動(dòng)應(yīng)急退出模式，觀察二級(jí)小齒輪在記憶合金組件收縮后被拉出嚙合狀態(tài)的情況，確認(rèn)齒輪副是否脫離并記錄時(shí)間，觀察漫反射板組件在卷簧驅(qū)動(dòng)下是否能返回初始位，并記錄時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果見表4。經(jīng)驗(yàn)證，應(yīng)急退出功能均正常實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。主動(dòng)齒輪被拖出嚙合狀態(tài)后的位置如圖6所示。

表4 應(yīng)急退出功能驗(yàn)證

圖6 主動(dòng)齒輪被拖出嚙合狀態(tài)Fig.6 Status of drive gear pulled out of engagement

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型號(hào)遙感相機(jī)定標(biāo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種用于解決電機(jī)或控制電路故障的應(yīng)急退出裝置，利用研制產(chǎn)品進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)急退出裝置的功能和性能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：

1) 應(yīng)急退出裝置額定直流工作電壓為28 V，功耗為45 W，記憶合金棒收縮位移為5.0～5.5 mm；

2) 卷簧剛度為2.33 mN·m/(°)，卷簧復(fù)位安全系數(shù)為6.3，可保證機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩裕度為5.9，滿足大于3的要求；

3) 應(yīng)急退出裝置分別在大氣條件和真空環(huán)境下完成了驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)測(cè)齒輪退出時(shí)間為137～143 s，卷簧驅(qū)動(dòng)時(shí)間為8～9 s。

本文設(shè)計(jì)的退出裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、退出速度快、行程大、沖擊小的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)可靠故障應(yīng)急，適用于空間遙感器機(jī)構(gòu)的故障預(yù)案，具有極大的工程應(yīng)用潛力。后續(xù)將進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)研究卷簧在長(zhǎng)壽命使用工況下的剛度變化情況，以期將本裝置應(yīng)用于更多長(zhǎng)壽命空間遙感機(jī)構(gòu)。