航天器超静平台作动器发展及其关键技术综述

叶田园，庞贺伟，周元子，宗 红，刘守文

（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 航天机电产品环境可靠性试验技术北京市重点实验室；3. 中国空间技术研究院； 4. 北京控制工程研究所：北京 100094）

0 引言

当前天基天文观测、高分辨率对地观测等航天任务对航天器的控制精度提出了极高的要求。星上太阳电池阵的驱动、动量轮的转动以及制冷机工作等引起的低频振动和高频抖动会严重影响卫星的指向精度和稳定度。为了保证激光通信设备、空间相机、太空望远镜等敏感设备的任务可靠性，必须为其提供超静的工作环境，采用合理技术手段减小航天器外部振动及内部扰动向有效载荷的传递。在星体和载荷之间增加一级具备振动隔离和精确指向能力控制系统的多级复合控制方案被认为是一项“多赢”的技术。自20 世纪90 年代以来，国外便开始了该方案技术的研究，研制出一种具有高精度指向并能消除振动噪声的有效载荷控制平台，称为“超静平台”。其中，作动器是关键核心部件，决定了超静平台的性能、可靠性和使用寿命。系统地研究作动器在航天器超静平台上的应用及发展，并提炼相关的关键技术，对推动高精度高稳定度航天器的发展至关重要。

本文对现有的航天器超静平台作动器进行综述，分析其主要技术特点和发展现状，并针对其在轨应用涉及的关键技术进行分析，并对今后研究方向提出建议，旨在为我国航天器超静平台的发展提供支撑。

1 国内外研究概况

自20 世纪90 年代，超静平台作动器就作为航天器精密光学载荷的驱动执行及支撑部件被研究并逐步开展空间应用，如美国Honeywell、CSA 等公司，以及一些大学和研究机构相继进行了大量的理论研究、地面试验验证及在轨试验。典型的航天器超静平台系统采用多个并联的作动器构成Stewart 平台，如图1 所示。超静平台作动器需能稳定且精确地输出控制所需的力和位移，并具备减/隔振功能。

图1 超静平台结构示意[1]Fig. 1 Schematic diagram of ultra-quiet platform[1]

航天器超静平台作动器由驱动源部件、隔振部件、测量部件及结构部件等组成。超静平台控制器根据作动器检测的反馈调节控制参数对振动进行抑制和补偿，通过驱动部件输出力和位移实现对结构振动的主动控制或精确指向功能，并结合隔振部件构成主被动一体化减/隔振系统，最终实现多自由度微振动全频带隔离及精确指向定位功能。从驱动部件的类型来看，航天器超静平台作动器主要分为智能材料驱动和电磁驱动2 种。

1.1 智能材料作动器

智能材料挠性作动器一般采用压电陶瓷或磁致伸缩部件作为驱动部件，其特点为定位精度高且动态响应性能好，振动控制效果好，但一般作动行程较小，不具备较大范围的精确指向功能。

CSA 公司在2000 年研制出基于压电作动器的卫星超静隔离技术试验（Satellite Ultraquiet Isolation Technology Experiment, SUITE）系统，用于验证空间敏感有效载荷的减振效果。SUITE 由6 个压电驱动作动器组成六杆装配组件（Hexapod assembly,HXA）Stewart 平台结构（如图2 所示）。

图2 SUITE 作动器及其结构[10]Fig. 2 SUITE actuator and its structure[10]

SUTE 作动器的被动隔振部件是一个阻尼式柔性元件，能够实现大约20 Hz 以上的中高频隔振。其柔性元件设计是“三明治”式的，由内到外分别为铍铜层、黏弹性材料层和铍铜约束层。HXA 作动器行程达到±15 μm，角度调节范围±1.25 μrad。2001 年9 月，在美国空军“空间试验计划”（STP）的资助下，SUITE 搭载PICOSat 航天器开展了飞行试验，其质量占航天器总质量的25%。

2002 年，Honeywell 公司与美国空军研究实验室（AFRL）共同研制了能与不同航天器平台适配的微型隔振系统（Miniaturized Vibration Isolation System-II, MVIS-II）。其作动器由Honeywell 的D-Strut与液压放大的压电作动器串联构成。DStrut采用了锥形环面调节环流间隙的方案，如图3 所示，可在频率范围0.1～10 Hz 根据共振峰要求进行阻尼调节，可根据内置黏性阻尼流体压力的变化，实时调节被动部件中的流体压力，达到主被动混合隔振的设计目标。

图3 D-StrutTM 结构示意（总长5 inch）[5]Fig. 3 Schematic diagram of D-StrutTM, with overall length of 5 inch[5]

MVIS-II 作动器（见图4）行程达到0.076 2 mm，与原始的D-Strut 相比，作动器尺寸减小了90%、质量减小了91% 。MVIS-II 于2006 年12 月搭载于战术星TacSat-2 发射。

图4 MVIS-II 作动器及其结构[12]Fig. 4 MVIS-II actuator and its structure[12]

此外，CSA 公司的UQP 平台、比利时布鲁塞尔自由大学（ULB）的SSP 平台，以及我国的哈尔滨工业大学、中国科学院等研究的天基Stewart平台隔振系统均采用了压电陶瓷挠性作动器。

相对于压电陶瓷材料，磁致伸缩材料具有能量转换效率高、弹性模量随磁场变化可调控、响应时间短、应变大且应变时输出力大、工作频带宽等优点。北京航空航天大学研制的磁致伸缩作动器（如图5 所示）采用了目前最为常见的磁致伸缩材料三元稀土合金TbDyFe，作动器内部磁场随着线圈电流发生变化，通过TbDyFe 芯棒形变控制输出位移和输出力。该作动器双向输出行程±35 μm，共振频率激励下振动衰减达30 dB。

图5 北航研制的磁致伸缩作动器及其结构[18]Fig. 5 Themagnetostrictive actuator developed by Beihang Universityand its structure[18]

此外，美国IAI 公司的HAVI 平台以及德雷珀实验室、哈里斯公司、瑞士电子及微技术中心等机构研制的隔振平台均采用了相应的磁致伸缩作动器。

1.2 电磁驱动作动器

Honeywell 公司在1999 年研制了振动隔离和抑制系统（Vibration Isolation and Suppression System,VISS），以控制星上制冷机对红外望远镜的扰动。如图6 所示，VISS 由6 个混合式隔振作动器实现系统六自由度的被动隔振、主动抑振及精确指向。被动部分采用Honeywell 公司已飞行验证的D-Strut部件，频率为2～5 Hz，主要提供中高频段的振动隔离。主动部分采用与被动系统并联的音圈电机实现低频部分的主动振动控制。VISS 作动器输出力9.8 N，行程±1 mm，功率3.5 W，质量1.13 kg，尺寸101 mm×127 mm×203 mm。VISS 系统搭载在TSX-5 卫星上于2000 年4 月发射。

图6 VISS 作动器及其结构[24]Fig. 6 The VISS actuator and its structure[24]

2007 年，Honeywell 公司以面向质量在百千kg级的大型有效载荷，实现航天器敏感有效载荷低共振拐点频率隔振及有效载荷平台抑振为研制目标，设计了隔振、指向、抑制（Isolation, Pointing, and Suppression, IPS）系统。IPS 作动器（如图7 所示）的硬件很大程度延续了VISS 的设计，仍采用主动音圈作动器并联D-Strut部件的结构，但是不同之处在于IPS 的主动部分采用了两级音圈设计。主线圈的数量多、尺寸大，用于提供大幅值“粗糙”驱动的输入；二级线圈将主线圈的噪声降低到允许的范围内。此外，二级线圈也能够独立完成小幅值力的输出。IPS 作动器最大输出力338 N，行程±0.25 mm，功率＜300 W，质量＜15.9 kg，总长度660 mm。

图7 IPS 作动器及其结构[25]Fig. 7 The IPS actuator and its structure[25]

APSI（Active/Passive Spacecraft Isolator）是诺斯罗普–格鲁曼公司为ACCESS 卫星Hexapod 望远镜研制的隔振指向平台，其主要功能是通过被动隔振抑制高频抖动、主动隔振实现中频衰减、指向控制实现低频域精确指向。如图8 所示，APSI 平台采用音圈作动器，峰值作动力127 N，行程±7 mm，可实现有效载荷±4°的指向调节。

图8 APSI 作动器及其结构[26]Fig. 8 The APSI actuator and its structure[26]

比利时自由大学（ULB）研制了一种挠性隔振平台（如图9 所示），作动器采用音频线圈主动驱动方式，通过无间隙的柔性铰链与上平台实现软连接，并由力传感器实时测量输出力。该作动器行程±0.7 mm，最大输出力2.7 N。

图9 ULB 的作动器及其结构[27]Fig. 9 The actuator developed by ULB and its structure[27]

Hood Technology 公司和华盛顿大学（UW）针对喷气推进实验室（JPL）的未来天基干涉仪SIM 项目研制了指向隔振平台（如图10 所示）。该平台作动器通过膜片弹簧的轴向挠度实现基频3 Hz，作动器驱动行程达到10 mm，相比其他隔振机构的行程增加了1 个数量级，基于大行程、大气隙的音圈作动器实现大角度指向和振动抑制。

图10 HT/UW 的指向隔振平台作动器及其结构[28]Fig. 10 The actuator developed by HT/UW and its structure[28]

1.3 小结

传统的被动隔振结构简单且不需要提供外部能源，但是在低频段，当外部扰动频率接近隔振器固有频率时，会产生较大的谐振峰，扰动被放大。主动隔振具有更好的隔振性能，但是在带宽和能耗方面存在一定的局限性。航天器超静平台作动器采用主被动混合隔振的方案，一方面通过主动控制降低被动隔振的谐振峰，而不是以损失高频隔振性能为代价来一味增大阻尼，可合理有效地提升系统的低频隔振性能；另一方面可以在高频段充分发挥被动隔振的优势，从而实现全频段有效隔振，兼顾隔振效果和系统能耗。

作动器主动部分的种类很多，如表1 所示，目前针对航天器超静平台应用较多的主要为音圈电机作动器和压电陶瓷作动器。音圈电机作动器行程较大，可达到mm 级，但存在能量密度小以及可能带来电磁兼容性和高热耗等问题。压电陶瓷作动器具有刚度大、频带宽等优势，但行程较小，输出位移大多为数十μm 级。具体应用还需结合航天器型号任务特点，选择行程范围、输出力等性能指标更贴合任务需求的作动器。

表1 典型超静平台作动器汇总Table 1 Types of actuators for ultra-quiet platform

航天器超静平台作动器内部引入被动隔振部件，通过自身的储能或耗能将振动带来的机械能转化为其他形式的能量，从而起到振动隔离的作用。针对航天器结构和任务特点的不同，被动隔振部件的构型复杂多样，一般采用流体阻尼、黏弹材料、挠性体或它们的组合构成。其工作原理主要有以下2 种：1）增加作动器内部结构的阻尼，也就是在作动器内部附加黏弹材料或并联黏性流体等其他形式的阻尼器，以抑制传递到有效载荷的振动能量；2）降低作动器特定方向的刚度，采用金属弹簧、橡胶等支撑的弹性元件挠性体，代替原结构或与原结构串联。

2 关键技术分析

超静平台作动器的关键技术涉及作动器各部件设计、研制与验证等技术，满足超静平台在轨工作所需的行程、输出力、功耗、质量和寿命等关键设计指标，主要可概括为高效率音圈电机技术、长寿命挠性元件技术，另外在地面对设计指标及功能性能进行验证还涉及地面试验验证技术。

2.1 高效率音圈电机技术

音圈电机是直流电机的一种，由永磁体、线圈及铁芯等部件组成，具有结构简单、响应快、精度高、线性好等优点。

音圈电机可实现电功率到线性力的转换，并独立地或结合柔性元件实现作动器直线位移输出。其输出的控制力最终将实现超静平台的主动抑振和指向调节，因此电机需满足超静平台所需的控制力、位移和精度要求。应用于航天器超静平台的音圈电机需具备以下特点：

1）轻量化。为保证快速响应特性，需要在满足力电性能的前提下尽可能减少音圈电机运动部分的质量及惯量。

2）低功耗。音圈电机安装在作动器内部，在轨工作时的散热环境较差，因此需尽量提高电机能效，减小所需的电流，降低作动器主动控制工作的热耗。

3）大间隙。作动器主动控制工作模式下，可能发生多个自由度耦合运动，这就要求音圈电机内部间隙足够大，以避免发生碰撞摩擦。

根据安培力原理，动子电磁力为=×××，式中：为线圈匝数；为工作气隙中的磁感应强度，T；为导线中通入的电流，A；为单根导线的有效长度，m。由此可见，轻量化、低功耗、大气隙的要求与实现高力系数、高效率之间的矛盾是音圈电机应用于航天器超静平台作动器的主要技术难点。

音圈电机典型的应用领域有光学系统、半导体设备、振动控制、直线压缩机和控制阀，以及机械加工等方面。音圈电机按磁路结构的不同可分为内磁型和外磁型、轴向型和径向型、短气隙型和长气隙型；根据运动部件、弹性元件和线圈形状的差别，可分为动圈型和动磁型、MF 型和MFK 型、圆筒型方块型和平板型。音圈电机的设计通常可由使用方根据规格要求自行设计和制造。一方面，采用尽可能少的永磁体研制高磁通密度的均匀气隙磁场；另一方面，在满足性能指标的条件下，尽量减小电机的体积和质量，最终达到提高能量转换效率和快速响应能力的目的。在控制方面，由于不同音圈电机的结构差异以及性能要求不同，所以必须采用相应灵活的控制策略，以获得良好的控制效果。面向超静平台应用场合，需不断开展大动力、高效率和低功耗音圈电机的技术攻关，使其在力、热等方面具有更好的适应性，提高超静平台作动器的主动控制能力。

2.2 长寿命挠性元件技术

作为超静平台作动器内部的弹性支承，挠性元件需要在综合实现低刚度、大变形和低应力的同时，适应空间应用复杂工况（发射振动、冷热交变和不间断工作）。

挠性元件是作动器内部承受在轨长寿命工作应力的核心部件，它的运动寿命直接决定了作动器乃至超静平台的寿命，因此对挠性元件的材料选择要综合考虑材料的弹性模量、强度、硬度、泊松比等力学性能，密度、导电性等物理性能，以及成本和加工工艺等因素，如：1）密度低、弹性模量高、弹性极限大，以提高非隔振方向的刚度；2）热膨胀系数小以减小热变形；3）疲劳极限高以保证在轨长寿命。

铍青铜因具有较高的屈服强度、非磁性以及较低的加工残余应力而被多数研究机构选用为挠性元件的材料。同时随着智能材料的发展，也有学者提出将智能结构中的功能材料特性引入作动器挠性元件设计，使作动器的刚度可根据所承受的载荷做出调整，这也是航天器超静平台作动器后续发展的重要方向。

作动器内部挠性元件的结构特性应满足以下条件：1）较低的主隔振方向刚度，以实现合适的拐点频率；2）转动刚度最小化以减小额外的扭矩；3）较高的横向和扭转刚度以消除作动器的剪切和扭转变形。ULB 作动器选用的不同构型膜片弹簧挠性元件如图11 所示，针对每种构型进行了有限元分析和形状结构参数优化，从而使挠性元件在所需行程下具有最优的应力分布。

图11 不同构型的挠性元件[27]Fig. 11 Flexible components of various configurations[27]

挠性元件是决定超静平台作动器寿命的关键部件，其精确寿命分析具有重要意义。挠性元件的失效模式主要有两种：一是在循环载荷作用下，其缺口处会出现应力集中，而应力集中处容易发生疲劳失效，因此疲劳是超静平台作动器挠性元件的重要失效模式；二是其在轨运行期间会承受随时间变化的载荷，进而产生损伤并逐渐累积，引起材料的性能退化，导致裂纹萌生、扩展直至断裂失效。当前用于疲劳寿命分析的主流方法为名义应力法、局部应力应变法、能量法、临界面法和损伤容限法等，其中：名义应力法根据材料性能、载荷谱以及应力集中部位的应力集中系数确定疲劳寿命，适用于高周疲劳；局部应力应变法的关键在于获取应力集中部位的局部应力应变谱，一般用于低周疲劳；能量法和临界面法可从不同角度对元件的多轴疲劳寿命进行预测；损伤容限法则是基于断裂力学确定载荷谱中各级载荷造成的裂纹扩展速度。

开展作动器及其挠性元件的精确寿命分析需要进一步加强对超静平台及其作动器工况载荷的研究，通过统计各个工况的载荷数据，根据挠性元件材料属性和结构特点选取对应的疲劳寿命分析方法，在测试和诊断等大量数据信息的基础上，涵盖理论分析、仿真计算和试验验证，在获取挠性元件的寿命预测值的基础上，进一步实现对超静平台作动器寿命的精确分析。

2.3 地面试验验证技术

隔振控制地面验证试验是验证超静平台作动器设计的合理性与可行性、隔振控制方案正确性并评价其隔振性能的必要途径。超静平台作动器需要经历地面储存环境，发射段的力学环境，在轨工作时的失重、真空及温度交变等环境，使用时还要充分考虑质量、机械接口、热接口等其他因素。因此，为了确保作动器在轨能够正常工作，需要开展大量的地面验证试验，包括功能性能试验、寿命试验、热真空试验及振动试验等。国外不同研究机构为进行超静平台作动器功能性能的验证开展了相应的隔振控制试验，通过激振器对作动器施加振动激励，测量关键位置的响应，比较上下端的频率响应特性变化，以评价作动器隔振效果。

Honeywell 公司D-Strut作动器开展单轴隔振试验时（如图12 所示）由激振器提供干扰力，激振器通过柔性元件连接到约30 kg 的刚体质量块（模拟有效载荷的质量），刚体质量块与被测作动器连接后再经由柔性元件连接到安装墙面。所有部件沿垂直重力方向吊装在天花板上，并由2 个测力传感器分别测量输入的扰动力和传递到墙体的力，验证作动器传递率。

图12 D-Strut 机构单轴振动隔离试验示意[5]Fig. 12 Experiment setup for force isolation of D-Strut[5]

IPS 试验系统如图13 所示，安装于独立的混凝土板上，与建筑物地基的其余部分分离。试验系统基本质量为1 329.03 kg，负载质量2 413.11 kg，2 个质量块均由单轴空气轴承从下方支撑，可以认为在水平方向无摩擦运动。基本质量块与电动激振器相连，IPS 支杆沿水平方向安装在基本质量块和有效载荷质量块之间。激振器和隔振机构上安装测力传感器，质量块之间安装双间隙传感器，在质量块上安装三轴加速度计对机构隔振性能进行试验验证。

图13 IPS 试验台[25]Fig. 13 Experiment setup for force isolation of IPS actuator[25]

在对超静平台作动器进行地面试验验证的过程中涉及的模拟试验方法主要有：

1）微重力模拟方法。将待测作动器、激振器、有效载荷模拟质量块、挠性元件等部件悬挂起吊或安装于气浮平台上，并保证所有部件的中心在同一水平线上，以实现对在轨微重力环境的模拟。

2）激振控制模拟方法。为了模拟超静平台在轨的各类工况，隔振控制试验中需要采用高精度、低噪声、超低频激振器来施加激励信号，同时需要建造特殊的实验室环境以隔离外界环境的干扰。

3）多应力综合模拟方法。为了更加充分考核作动器的在轨工作性能，可以考虑在空间环境模拟设备中集成微重力和激振控制的模拟装置，以实现综合环境下的性能验证。

3 总结与展望

随着航天器功能越来越复杂，精度和稳定度要求越来越高，对航天器及其有效载荷的精稳控制和减振/隔振需求也越来越迫切。适用于搭载精密光学设备等有效载荷的超静平台的应用使航天器具备了指向精度高、隔振抑振效果好、稳定度高等优势。本文分析总结了航天器超静平台作动器的研究现状及关键技术，建议今后在以下几个方面开展深入研究：

1）结构构型方面，坚持组合化、模块化思路，基于主动控制和被动隔振功能模块，开发不同构型的作动器，为超静平台提供更宽泛的功能化选择。

2）驱动部件方面，发展大动力、高效率、低功耗音圈电机技术，使其在力、热等方面具有更好的适应性；对于压电作动器，在发挥其高精度优势的同时，研究拓展行程范围、提高动态特性的结构设计和驱动控制方法。

3）隔振部件方面，考虑发展综合多种不同形式的高性能减隔振模块，提高作动器的中高频隔振性能，同时解决主动控制的自主适应问题。

4）可靠性方面，从材料、结构、热控设计、疲劳减缓等方面开展研究攻关，以满足不同载荷、不同激励下的多自由度隔振及长寿命工作要求。

5）试验验证方面，针对挠性作动器开展地面试验验证中要模拟在轨微重力环境，通过各种方式抵消重力的影响，多采用悬吊或气浮方式，但重力卸载对结构带来的模态影响还需进一步研究，且模拟微重力、超低频振动控制等关键技术还需要突破。