基于压电谐振换能的自致动空间伺服机构的研究

For the development of electric and electronic elements, failures and reliability of space servo-actuators and their gearing mechanisms threaten to become the main limiting factor on mission lifetimes and reliability of on orbit spacecrafts. In the recent years, the number spacecrafts of our country has been rapidly increasing, which urgently asks for the removing of the above technical problems. Based on these backgrounds, this project will study novel space sero-mechanisms by integrating resonant piezo-actuators into the supporting elements, and aim to reduce the sizes and weights of the systems, and to avoid the lubrication failures of conventional high speed electromagnetic motors and their gearing mechanisms. The main research ideas of this project are: integrating resonant piezo-actuators into the servo-mechanisms; the electromechanical coupling problems; the influence of space temperature and vaccum on the electromechanical coupling characteristics; the vibrational contact model of the frictional coupling interface of resonant piezo-actuators; the electrical model of resonant piezo-actuators, and corresponding experiment studies to solidate the theoretical study results. The production of this project will be novel actuators that have advantages of high power density, long mission lifetime, high reliability, high accuracy, and low cost.

随着电子元器件技术的飞速发展，空间伺服机构驱动与传动系统的失效和可靠性等因素已成为制约航天器服役寿命和可靠性的主要故障来源。我们国家在轨航天器数量正在爆炸式增长，解决上述技术瓶颈的需求日渐强烈。基于此背景，本项目提出并研究一种基于压电谐振换能的自致动航天伺服机构，目的是解决现役高速电磁驱动元件尺寸重量大，高速运动部件带来的润滑与传动机构失效以及可靠性等问题。主要研究内容包括：谐振式压电致动器与伺服机构支撑框架的融合实现方法；谐振式压电换能自致动伺服机构机电耦合效率的改善问题；空间温度场和真空环境对机电耦合性能的影响机制；谐振式压电致动摩擦耦合特性；谐振式压电换能自致动伺服机构电学模型；相关理论研究成果的实验验证等。本项目研究目标的实现，可为航天器伺服机构提供一种具有轻量紧凑、高能量密度、长寿命、高可靠性、高精度以及低成本等优点的新型致动技术。

目前，空间伺服机构驱动与传动系统的失效和可靠性等因素已成为制约航天器服役寿命和可靠性的主要故障来源，我国在轨航天器数量正在爆炸式增长，解决上述技术瓶颈的需求日渐强烈。基于此背景，本项目提出并研究一种基于压电谐振换能的自致动航天伺服机构，目的是解决现役高速电磁驱动元件尺寸重量大，高速运动部件带来的润滑与传动机构失效以及可靠性等问题。首先提出了多种新型谐振式压电致动器构型并分析了其致动原理，研制了多种压电致动器样机，实现了直线/旋转/多自由度驱动。深入开展了谐振式压电致动器的激励方法研究，分别提出一种谐振式纵弯复合振动及弯曲复合振动激励的新方法，实现了结构的简化以及机电耦合效率的显著提升。建立了谐振式压电振子纵向振动及弯曲振动模态的机电耦合模型，实现了机电耦合效率的优化，获得了振子中压电陶瓷元件设置位置等参数对机电耦合效率的影响规律。建立了谐振式压电驱动器的间歇性接触摩擦耦合模型并进行了实验验证。测试分析了谐振式弯振复合型压电振子的热耦合特性，并获得了温度场对压电驱动器机电耦合性能的影响规律。实现了压电致动器与控制力矩陀螺、套筒折展机构和多臂展开机构三个典型空间伺服机构的融合设计，证明了压电致动方式可在空间伺服机构广泛应用的可行性，充分展示出谐振式压电致动器具备轻量紧凑、高能量密度、长寿命、高可靠性、高精度以及低成本等突出优势。此外，深入开展了针对空间轴系部件的主动式润滑问题的研究工作，实现了高粘度润滑油的按需、定量、定时补给控制，并实现了压电微喷装置与轴承部件的融合设计。在本项目资助下，发表学术论文26篇（SCI收录期刊论文22篇），申请发明专利15项（获得授权11项），培养博士研究生3人、硕士研究生11人，目前有2名博士研究生和2名硕士研究生在本项目的资助下开展课题研究。