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微驱动系统的探险旅程

供稿:福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司 2017/9/22 15:23:50
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作为首次绕彗星飞行并在彗星上着陆的“罗塞塔”(Rosetta)彗星探测器已于2016年9月30日按计划成功撞向彗星“67P/丘留莫夫-格拉西缅科”(下称“67P”)表面,结束了其12年“追星”之旅。

这颗探测器于2004年3月2日发射升空,其任务是追上“67P”并投放“菲莱”着陆器,探求太阳系起源的奥秘。

2014年5月底,Rosetta宇宙探测器进入67P彗星的飞行方向,以进一步接近彗星,从而在八月份实施测绘勘探,并为Philae着陆做准备。重约100 kg的弹道着陆器在彗星表面登陆,并依靠FAULHABER驱动装置实现安全捆绑。

Rosetta任务中的Philae着陆器正在彗星表面工作。(图:ESA–C. CarreauATG medialab)

彗星与小行星一样,是太阳系形成时所产生的特殊星体,它们形成于外围温度较低的区域。在靠近太阳的地方,通常只有直径为几公里的彗核,它们被一层所谓的“彗发”包围,形成其典型外观。自古以来,神秘的彗星总是令人着迷神往。古希腊人和古罗马人将其视为神的迹象,现在欧洲的科学家们致力于通过登陆到彗星,来近距离观察探测太阳系的起源。这种大胆的冒险行为当然需要高新科技的支持。弹道着陆器内安装了一系列小型驱动装置,它们需在经历多年的太空旅程后,仍能在着陆时或在彗星表面进行勘探分析并可靠地执行多种任务。

锚定系统、着陆架和样品分析

由于彗星的万有引力较低,因此要将探测器锚定在其表面并不容易,而且必须确保其在以后的探测过程中保持探测器安全固定。在德国航空航天中心(DLR)的领导下,马克斯 - 普朗克地外物理研究所(MPE)专门针对探测器研制了一种特殊的锚定系统:着陆时一旦与彗星表面接触,两个鱼叉将立即射向彗星表面并钻入地底,其倒钩可防止这些“锚”松脱,每个鱼叉会从缆绳盒内拖出一根绳索,并在鱼叉射出后通过微电机卷绕在滚筒上拉紧,以此将探测器固定在彗星表面。绳索被拉紧后,直流电机还将拉紧滚筒轴上的螺旋弹簧,在锚绳上产生轻微的预应力,防止鱼叉或探测器的着陆腿下陷。

鱼叉系统确保安全地锚定在彗星表面

其他电机也必须在着陆过程中及着陆之后执行许多重要任务:通过主轴驱动器将着陆时产生的动能(约50 J)转换为电能并最终转换为热能,小型的空心杯电机通过外部电阻发生短路,然后作为发电机工作。

鱼叉系统结构

FAULHABER驱动装置还可用于三脚式着陆架,比如通过万向节摆动或旋转着陆器上部,使太阳能电池板获得最佳定向。采样分析过程也同样需要微驱动装置,着陆器有一个钻头,可将钻取样品送入小熔炉进行热分解,微电机通过蜗轮蜗杆传动机构驱动偏心轮,使陶瓷密封盖移动到每个熔炉上,并闭合加热器的电触点,形成的气体会通过炉盖内的细管输送至科学仪器进行分析。

太空环境及其要求

太空环境对驱动装置的要求非常高。发射到太空的每公斤重量都需要消耗燃料,因而直接关系到项目的成本。因此我们需要一个紧凑、轻量的解决方案,但这个方案又必须同时能承受发射时产生的巨大振动,加速力负荷,太空内的超低温度和持续多年的真空环境。

与探测器一起穿越宇宙(图:ESA–C. CarreauATG medialab)

航天项目在选择组件时,成本也是一个重要的考虑因素,因此研发人员尽量避免昂贵的特殊解决方案。所以他们优先考虑最能满足任务要求的标准产品。范围广泛、种类繁多的FAULHABER驱动系统因此成为最佳选择,它们随时可用,在调整标准部件的材料和润滑后仍能承受短期过载、过冷和过热条件。这使得它们足以承担空间技术的驱动任务,无需担心其使用寿命和可靠性。

仅需简单调整标准驱动装置

鱼叉驱动装置的原装电机配有精密减速箱的直流无刷伺服电机,电机和减速箱总直径仅16 mm,长度55 mm。小于1°的低齿轮啮合间隙可确保精确定位,紧凑的结构有利于整合驱动系统,由于电能消耗较小,非常适用于太空应用。

直流无刷伺服电机直径16 mm,长28 mm,转矩3.3 mNm

太空环境还相应调整了用于着陆器的驱动装置的润滑。润滑脂或润滑油并不适用,因为它们会在寒冷的太空中固化或在真空中蒸发,因此需使用具有类石墨层状结构的二硫化钼(MoS2),它们不仅能在真空和寒冷的太空环境下确保正常的润滑功能,还能耐受几百摄氏度的高温,因此特殊轴承和标准齿轮的润滑表面均采用这种固体润滑剂。

着陆器的支撑腿通过万向节与着陆器上部连接,万向节内安装了三个电机,两个用于一对倾斜轴,一个用于膜片式离合器的制动力调整。

齿轮箱外壳也必须针对太空应用做相应调整。由于在–100 °C下,不同材料会出现不同程度的冷缩,这样精密部件会在很短时间内被卡住。因此,需使用不锈钢外壳替代标准的镀镍黄铜齿轮箱外壳,以适应钢齿轮的热膨胀变化。

FAULHABER可在标准生产过程中对不锈钢外壳进行处理,以保证替换后的装配精度。由于齿轮箱部件安装简单,用于太空环境的“强化”部件也可轻松地完成装配。它们可靠的性能将在改进过的标准驱动系统着陆彗星时得到证明,正如它们已顺利通过其他极端环境的考验,如高度真空下的电子显微镜应用或芯片生产过程。

更多信息请访问FAULHABER官网www.faulhaber.cn 或者扫一扫关注FAULHABER公众号.

审核编辑(简伶俐)
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