星載輻射計(jì)動(dòng)平衡概述及在軌動(dòng)平衡技術(shù)研究

葉志彪，高一丹，黃佳雷，金旭鑫，何嘉愷，翁藝航

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

現(xiàn)如今各類氣象衛(wèi)星、環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星、資源探測(cè)衛(wèi)星等的在軌探測(cè)手段越來越全面，探測(cè)精度要求不斷提高[1]。為保證衛(wèi)星在軌探測(cè)的高精度、高穩(wěn)定度，必須確保衛(wèi)星在軌具有良好的姿態(tài)穩(wěn)定度。作為衛(wèi)星對(duì)地探測(cè)的重要有效載荷，星載輻射計(jì)向大型化、復(fù)雜化、多樣化發(fā)展。其中，旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)由于其自身轉(zhuǎn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)心無法完全與旋轉(zhuǎn)中心重合，故在軌掃描轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生干擾，影響衛(wèi)星探測(cè)精度，嚴(yán)重的甚至可造成衛(wèi)星在軌傾覆，帶來不可估量的損失。因此，在帶有旋轉(zhuǎn)部件的星載輻射計(jì)研制過程中往往需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)平衡設(shè)計(jì)和控制，以減小星載輻射計(jì)掃描轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)不平衡量，進(jìn)而降低對(duì)衛(wèi)星的干擾，提高衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定度和在軌探測(cè)精度。

本文概述星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)的研究應(yīng)用，探討和展望其發(fā)展趨勢(shì)，并提出在軌動(dòng)平衡技術(shù)的初步研究設(shè)想，以期為今后類似旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)、動(dòng)平衡控制方法提供一定參考依據(jù)，為我國(guó)星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)發(fā)展提供支撐。

1 星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)概述

動(dòng)平衡的概念最早出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，主要是用以減少轉(zhuǎn)子撓曲、振動(dòng)和軸承動(dòng)態(tài)反力，動(dòng)平衡技術(shù)研究的目的是減小甚至消除轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡[2]。為此，學(xué)者提出了多種動(dòng)平衡理論，包括力平衡法、兩平面影響系數(shù)法、模態(tài)平衡法及影響系數(shù)法等[3]。各種動(dòng)平衡理論與實(shí)現(xiàn)方法在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)旋翼[4]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

航天領(lǐng)域中，星載輻射計(jì)的動(dòng)平衡技術(shù)日益受到關(guān)注。在國(guó)外，美國(guó)的“深度撞擊號(hào)”彗星探測(cè)器在研制過程中進(jìn)行了動(dòng)平衡測(cè)試。NASA 對(duì)其研制的全球降水測(cè)量衛(wèi)星（GPM）搭載的星載輻射計(jì)全球微波成像儀（GMI）進(jìn)行了動(dòng)平衡方法優(yōu)化和動(dòng)平衡測(cè)試[5]，動(dòng)平衡測(cè)試配平后GMI 的殘余靜不平衡量為17 kg·mm、殘余偶不平衡量為22 000 kg·mm2。

在國(guó)內(nèi)，星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)近十幾年經(jīng)歷了快速發(fā)展?！帮L(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星星載輻射計(jì)、“海洋二號(hào)”衛(wèi)星微波輻射計(jì)、“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星星載輻射計(jì)以及各類微小衛(wèi)星研制中，都進(jìn)行了星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)研究[6-9]，以提升產(chǎn)品的動(dòng)平衡性能。隨著星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)研究的深入，星載輻射計(jì)動(dòng)平衡特性影響因素的研究也更加全面，已經(jīng)從單純的地面動(dòng)平衡測(cè)試配平發(fā)展為集動(dòng)平衡測(cè)試配平、地面動(dòng)平衡影響因素分析、空間環(huán)境動(dòng)平衡影響研究等于一體的綜合性動(dòng)平衡技術(shù)研究。基于此類綜合性動(dòng)平衡技術(shù)的研究，星載輻射計(jì)的動(dòng)平衡性能得到較大提升，某型號(hào)大型旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)的動(dòng)平衡性能從最初的殘余靜不平衡量17 kg·mm、殘余偶不平衡量10 000 kg·mm2提升至殘余靜不平衡量1.5 kg·mm、殘余偶不平衡量2500 kg·mm2?？梢姡覈?guó)的星載輻射計(jì)動(dòng)平衡性能要求已高于NASA類似設(shè)備的性能指標(biāo)。

動(dòng)平衡機(jī)是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)發(fā)展的最初形式，是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡特性的直接測(cè)試部件。動(dòng)平衡機(jī)研制歷史可以追溯到19 世紀(jì)，1907 年，世界第一臺(tái)平衡機(jī)首先被德國(guó)的拉瓦切克（Lawaczeck）制造出來；進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著信息電子技術(shù)的快速發(fā)展，動(dòng)平衡機(jī)的測(cè)量精度有了很大提高。目前，德國(guó)的申克（SCHENCK）公司、霍夫曼（HOFMANN）公司和日本的國(guó)際計(jì)測(cè)器株式會(huì)社（KOKUSAI）的動(dòng)平衡機(jī)在國(guó)際上處于絕對(duì)領(lǐng)先的地位[5]。我國(guó)動(dòng)平衡機(jī)行業(yè)的發(fā)展起步較晚，20 世紀(jì)50 年代，華中工學(xué)院成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)通用型動(dòng)平衡機(jī)[10]。國(guó)內(nèi)針對(duì)空間航天器低轉(zhuǎn)速動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的研究直到21 世紀(jì)才有所發(fā)展，近些年在此方面研究比較成熟的有湖北孝感龍騰檢測(cè)設(shè)備有限公司及北京東方科學(xué)儀器廠等。其中前者研制的低轉(zhuǎn)速動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大多數(shù)航天院所，圖1為該公司2020 年研制的ZGT-200 型星載輻射計(jì)專用低轉(zhuǎn)速動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)試精度已達(dá)到殘余靜不平衡量0.6 kg·mm、殘余偶不平衡量250 kg·mm2，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖1 ZGT-200 動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 ZGT-200 dynamic balance test system

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)星載輻射計(jì)地面動(dòng)平衡技術(shù)的研究已相對(duì)成熟，動(dòng)平衡試驗(yàn)方法較為完善，但動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的精度仍有待進(jìn)一步提高，以減小星載輻射計(jì)地面動(dòng)平衡配平后的殘余不平衡量。

2 在軌動(dòng)平衡技術(shù)的提出

星載輻射計(jì)地面動(dòng)平衡測(cè)試主要是通過動(dòng)平衡機(jī)測(cè)得星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)不平衡量，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果在對(duì)應(yīng)位置增加或減少配重塊進(jìn)行配平，以減小星載輻射計(jì)的動(dòng)不平衡量?，F(xiàn)有地面動(dòng)平衡技術(shù)只能夠提高星載輻射計(jì)地面測(cè)試狀態(tài)的動(dòng)平衡，無法對(duì)星載輻射計(jì)在軌可能出現(xiàn)的動(dòng)平衡狀態(tài)變化進(jìn)行主動(dòng)的適應(yīng)性調(diào)節(jié)。隨著衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星探測(cè)精度大幅提高，對(duì)星載輻射計(jì)動(dòng)平衡性能要求也越來越高。單純依靠地面動(dòng)平衡測(cè)試配平提高星載輻射計(jì)動(dòng)平衡穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方式將逐漸無法滿足衛(wèi)星及星載輻射計(jì)在軌長(zhǎng)壽命、高精度、高穩(wěn)定度的需求。一方面，部分大型旋轉(zhuǎn)式、可展開式星載輻射計(jì)發(fā)射入軌后，為保證其展開機(jī)構(gòu)的可靠性，相關(guān)活動(dòng)部件設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)留有一定間隙，因此，活動(dòng)部件在軌解鎖展開后無法與地面動(dòng)平衡測(cè)試時(shí)展開到位的狀態(tài)完全一致，而展開機(jī)構(gòu)重復(fù)展開到位后精度的不一致會(huì)造成星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡狀態(tài)的變化。例如，某型號(hào)星載輻射計(jì)地面動(dòng)平衡配平后，整機(jī)殘余動(dòng)不平衡量為靜不平衡量1.08 kg·mm、偶不平衡量1 137.5 kg·mm2；而其天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開后，整機(jī)殘余動(dòng)不平衡量變大為靜不平衡量4.3 kg·mm、偶不平衡量4 538.6 kg·mm2。其動(dòng)不平衡量增大的主要原因就是展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開到位精度變化。另一方面，受地面重力場(chǎng)和在軌復(fù)雜的熱環(huán)境影響，星載輻射計(jì)在軌工作后勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)動(dòng)平衡狀態(tài)的變化。這種變化會(huì)隨著輻射計(jì)在軌工作時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步加大，同時(shí)會(huì)隨著后續(xù)星載輻射計(jì)空間結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的大型化、復(fù)雜化變得更加突出。

而在軌動(dòng)平衡技術(shù)的發(fā)展，可以很好地彌補(bǔ)以上這些不足——通過在軌動(dòng)平衡技術(shù)進(jìn)行星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，可以實(shí)時(shí)、精細(xì)化地減小星載輻射計(jì)在軌動(dòng)不平衡，大大提高衛(wèi)星在軌探測(cè)精度。后續(xù)星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)將逐漸向地面動(dòng)平衡試驗(yàn)和在軌動(dòng)平衡技術(shù)綜合作用發(fā)展，依托在軌動(dòng)平衡技術(shù)根據(jù)在軌監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)動(dòng)不平衡變化進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償配平，支撐衛(wèi)星在軌探測(cè)技術(shù)向著精度更高、性能更穩(wěn)定發(fā)展。

2021 年，XX-5 衛(wèi)星啟動(dòng)立項(xiàng)論證，用戶初步提出的衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度指標(biāo)為0.2‰，相較于其上一代XX-3 衛(wèi)星6‰的衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度要求，精度提高近20 倍。據(jù)此，XX-5 衛(wèi)星搭載的星載微波輻射計(jì)動(dòng)不平衡量指標(biāo)預(yù)期提高至靜不平衡量小于0.25 kg·mm、偶不平衡量小于250 kg·mm2。而據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的仿真分析，XX-3 衛(wèi)星星載輻射計(jì)在軌長(zhǎng)期工作后，空間重力變形、空間熱變形會(huì)引起星載輻射計(jì)靜不平衡量1 kg·mm、偶不平衡量1500 kg·mm2的動(dòng)平衡變化。因此，僅通過地面動(dòng)平衡配平是無法滿足XX-5 衛(wèi)星在軌應(yīng)用需求的。目前，XX-5 衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)已經(jīng)著手進(jìn)行在軌動(dòng)平衡技術(shù)的研究和方案論證，預(yù)計(jì)在2030 年左右實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用。

3 在軌動(dòng)平衡技術(shù)研究

在軌動(dòng)平衡技術(shù)的應(yīng)用可以減小旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)在軌動(dòng)不平衡量，有助于推動(dòng)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)向大型化、多樣化發(fā)展。但同時(shí)，受制于衛(wèi)星在軌能源資源的有限性，在軌動(dòng)平衡系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡可能輕量化，即星載輻射計(jì)在軌需要補(bǔ)償配平的配重塊質(zhì)量應(yīng)當(dāng)越小越好。因此，星載輻射計(jì)研制過程中一般先進(jìn)行地面動(dòng)平衡試驗(yàn)，將其動(dòng)不平衡量配平減小至一定范圍內(nèi)。具體情況可分為2 種：

一類是通過地面動(dòng)平衡配平可將其動(dòng)不平衡量配平至滿足指標(biāo)要求范圍內(nèi)，但在軌長(zhǎng)期運(yùn)行后動(dòng)不平衡量會(huì)變大而超出指標(biāo)要求。這類星載輻射計(jì)需首先在地面動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)將其動(dòng)不平衡量配平至指標(biāo)范圍內(nèi)；同時(shí)通過仿真分析和計(jì)算，評(píng)估星載輻射計(jì)在軌受重力、熱環(huán)境影響可能帶來的動(dòng)不平衡變化量，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行在軌動(dòng)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

另一類是衛(wèi)星指標(biāo)要求很高的星載輻射計(jì)，僅通過地面動(dòng)平衡試驗(yàn)無法將其動(dòng)不平衡量配平至指標(biāo)要求范圍內(nèi)。該類星載輻射計(jì)可先在地面動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)將整機(jī)動(dòng)不平衡量配平至一個(gè)較小的值，以保證星載輻射計(jì)地面掃描轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試過程中產(chǎn)品的安全性和可靠性；然后通過分析地面動(dòng)平衡試驗(yàn)配平后星載輻射計(jì)動(dòng)不平衡量與衛(wèi)星指標(biāo)要求的差值，以及仿真分析計(jì)算星載輻射計(jì)在軌受重力、熱環(huán)境影響可能帶來的動(dòng)不平衡變化量，并根據(jù)綜合評(píng)估結(jié)果進(jìn)行在軌動(dòng)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以確保其在軌動(dòng)平衡系統(tǒng)具備足夠的調(diào)節(jié)能力將星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡配平至指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

理論上，只要在軌動(dòng)平衡系統(tǒng)具有足夠的能源資源和配平質(zhì)量塊，在軌動(dòng)平衡技術(shù)就可以將星載輻射計(jì)在軌任意大小的動(dòng)不平衡量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)至指標(biāo)要求范圍內(nèi)，保證衛(wèi)星在軌運(yùn)行的高精度和高穩(wěn)定度。工程上，星載輻射計(jì)地面動(dòng)平衡試驗(yàn)配平與在軌動(dòng)平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需根據(jù)衛(wèi)星總體的實(shí)際要求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)與指標(biāo)分配。

星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要包含3 個(gè)步驟：首先通過衛(wèi)星在軌實(shí)時(shí)響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出星載輻射計(jì)的在軌動(dòng)不平衡量，然后由在軌動(dòng)平衡反饋系統(tǒng)將動(dòng)不平衡量測(cè)量值實(shí)時(shí)反饋至衛(wèi)星控制單元，最后由在軌動(dòng)平衡調(diào)節(jié)裝置根據(jù)控制指令進(jìn)行星載輻射計(jì)配平面質(zhì)量塊的動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)在軌動(dòng)平衡配平。

3.1 在軌動(dòng)平衡配平技術(shù)方案

根據(jù)星載輻射計(jì)的一般結(jié)構(gòu)形式，在軌動(dòng)平衡配平方案考慮通過電動(dòng)滑臺(tái)對(duì)星載輻射計(jì)配平面上可移動(dòng)的質(zhì)量塊進(jìn)行位置調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)，達(dá)到減小星載輻射計(jì)在軌動(dòng)不平衡量的目的。針對(duì)質(zhì)量塊的布置及移動(dòng)方式，初步考慮了直線導(dǎo)軌和圓形導(dǎo)軌2 種滑臺(tái)布局方案，如圖2 所示。

圖2 質(zhì)量滑塊調(diào)整的滑臺(tái)布局方案Fig.2 Slide table layout scheme of mass slider adjustment

由圖2 可以看到，由于每次質(zhì)量滑塊發(fā)生移動(dòng)后，質(zhì)量滑塊初始位置的反方向會(huì)產(chǎn)生1 個(gè)新的大小相等方向相反的不平衡量，因此需在配平面導(dǎo)軌上設(shè)置至少2 個(gè)質(zhì)量滑塊共同作用，才可消除配平面上的不平衡量，實(shí)現(xiàn)在軌動(dòng)平衡實(shí)時(shí)調(diào)整。以下針對(duì)這2 種滑臺(tái)布局方案進(jìn)行在軌動(dòng)平衡配平實(shí)施途徑及理論探討。

3.1.1 直線導(dǎo)軌配平技術(shù)方案

直線導(dǎo)軌方案主要考慮在星載輻射計(jì)配平面上靠近外側(cè)合適位置布置2 條相互垂直且與星載輻射計(jì)產(chǎn)品坐標(biāo)系正交的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌法向距星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸距離為r，如圖3所示。將圖中坐標(biāo)系X軸的正方向定義為轉(zhuǎn)動(dòng)0 位，假設(shè)豎直導(dǎo)軌上質(zhì)量滑塊的質(zhì)量為m1，初始位置與X軸的夾角為θ01；水平導(dǎo)軌上質(zhì)量滑塊的質(zhì)量為m2，初始位置與Y軸的夾角為θ02；星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中測(cè)得轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為r處的動(dòng)不平衡量大小為M、相位角為α。（為方便后文敘述計(jì)算過程，本文直接以m1、m2同時(shí)指代兩滑塊及其質(zhì)量。）

圖3 直線導(dǎo)軌方案質(zhì)量滑塊調(diào)整示意Fig.3 Linear guide schematic of mass slider adjustment

根據(jù)動(dòng)平衡配平要求，2 個(gè)質(zhì)量滑塊需分別移動(dòng)到指定配平位置，使星載輻射計(jì)的動(dòng)不平衡量為0。假設(shè)質(zhì)量滑塊m1、m2移動(dòng)到指定配平位置后與X、Y軸的夾角分別為θ1、θ2，這2 個(gè)質(zhì)量滑塊產(chǎn)生移動(dòng)后在其移動(dòng)前的初始位置反向也會(huì)分別產(chǎn)生相等大小的不平衡質(zhì)量m1、m2。因此，質(zhì)量滑塊m1、m2移動(dòng)到指定配平位置后形成的新的動(dòng)平衡穩(wěn)定狀態(tài)為這5 個(gè)質(zhì)量塊共同作用實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)圖3 中不同質(zhì)量滑塊的位置示意，列出X、Y兩個(gè)正交方向的平衡方程，

對(duì)式(1)進(jìn)行化簡(jiǎn)求解，得到θ1、θ2的解，

式中，m1、m2、θ01、θ02為已知量，M、α為在軌動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)實(shí)測(cè)值，θ1、θ2為變量。求得θ1、θ2即可得到質(zhì)量滑塊m1、m2需移動(dòng)到的指定配平位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡配平。

3.1.2 圓形導(dǎo)軌配平技術(shù)方案

圓形導(dǎo)軌方案主要考慮在星載輻射計(jì)配平面上距轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離為r的位置圓周方向布置360°范圍的圓形導(dǎo)軌，在圓形導(dǎo)軌上放置2 個(gè)質(zhì)量塊。假設(shè)圓形導(dǎo)軌上質(zhì)量滑塊的質(zhì)量分別為m1、m2，初始位置與X軸的夾角分別為θ01、θ02；星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中測(cè)得轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為r處的動(dòng)不平衡量大小為M、相位角為α，如圖4 所示。

與直線滑軌原理相同，根據(jù)動(dòng)平衡配平要求，2 個(gè)質(zhì)量滑塊需分別移動(dòng)到指定配平位置，使星載輻射計(jì)動(dòng)不平衡量為0。假設(shè)質(zhì)量滑塊m1、m2移動(dòng)到指定配平位置后與X軸的夾角分別為θ1、θ2，這2 個(gè)滑塊產(chǎn)生移動(dòng)后在其移動(dòng)前的初始位置反向也會(huì)分別產(chǎn)生相等大小的不平衡質(zhì)量m1、m2。因此，質(zhì)量滑塊m1、m2移動(dòng)到指定配平位置后形成的新的動(dòng)平衡穩(wěn)定狀態(tài)同樣為這5 個(gè)質(zhì)量塊共同作用實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)圖4 中不同質(zhì)量滑塊的位置示意，列出X、Y兩個(gè)正交方向的平衡方程，

圖4 圓形導(dǎo)軌方案質(zhì)量滑塊調(diào)整示意Fig.4 Circular guide schematic of mass slider adjustment

對(duì)式(3)進(jìn)行整理，無法完全分離出變量θ1、θ2，僅能表達(dá)量之間相互關(guān)系，

式中，m1、m2、θ01、θ02為已知量，M、α為在軌動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)實(shí)測(cè)值，θ1、θ2為變量。通過對(duì)式(4)求解，可得到質(zhì)量滑塊m1、m2需移動(dòng)到的指定配平位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡配平。

3.1.3 小結(jié)

通過對(duì)上述2 種導(dǎo)軌布局進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，直線導(dǎo)軌方案構(gòu)型更簡(jiǎn)單，也更易于實(shí)現(xiàn)，但其滑塊的滑動(dòng)范圍有限，可能存在方程無解的情況，即兩滑塊在直線導(dǎo)軌上有限的移動(dòng)范圍內(nèi)無法移動(dòng)到指定配平位置，出現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)配平的盲區(qū)。圓形導(dǎo)軌滑動(dòng)范圍更大，理論上對(duì)于任意不平衡量都存在配平位置，但該方案的軌道結(jié)構(gòu)布局和滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)都相對(duì)更為復(fù)雜。因此，實(shí)際工程應(yīng)用還需根據(jù)星載輻射計(jì)產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)形式、在軌動(dòng)平衡指標(biāo)要求、導(dǎo)軌布置方式、滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行綜合考量，選擇適合的方案。

3.2 在軌動(dòng)平衡測(cè)量技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡，一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要能夠?qū)π禽d輻射計(jì)在軌掃描轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)不平衡量進(jìn)行精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)測(cè)量。在軌動(dòng)平衡測(cè)量技術(shù)的核心是測(cè)出星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由其動(dòng)不平衡帶來的干擾力；然后通過相應(yīng)的專業(yè)理論基礎(chǔ)和求解換算，計(jì)算動(dòng)不平衡量。測(cè)量方法有2 種，一種是通過傳感器直接測(cè)量干擾力，另一種是通過陀螺儀測(cè)量衛(wèi)星轉(zhuǎn)角信息間接獲取。

通過傳感器直接測(cè)量的方法原理上相對(duì)簡(jiǎn)單，可在星載輻射計(jì)與衛(wèi)星本體連接的安裝面處安裝傳感器，通過傳感器直接測(cè)得的干擾力以及傳感器安裝位置與星載輻射計(jì)質(zhì)心相對(duì)位置關(guān)系，求解星載輻射計(jì)的動(dòng)不平衡量，整個(gè)測(cè)量及轉(zhuǎn)化過程的復(fù)雜度較低。

通過陀螺儀測(cè)量衛(wèi)星轉(zhuǎn)角信息獲取星載輻射計(jì)在軌掃描轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡量的方法相對(duì)復(fù)雜，需分別測(cè)量星載輻射計(jì)關(guān)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)和開機(jī)穩(wěn)速掃描轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下衛(wèi)星繞俯仰軸的轉(zhuǎn)角-時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域上2 次求導(dǎo)，得到衛(wèi)星角加速度-時(shí)間數(shù)據(jù)；再將星載輻射計(jì)關(guān)機(jī)與開機(jī)狀態(tài)下測(cè)得的衛(wèi)星角加速度求差，此差值即由星載輻射計(jì)開機(jī)掃描轉(zhuǎn)動(dòng)后不平衡量引起的。衛(wèi)星角加速度隨時(shí)間周期性變化，最大值出現(xiàn)在星載輻射計(jì)干擾力方向與衛(wèi)星俯仰軸夾角為90°時(shí)。

假設(shè)星載輻射計(jì)開/關(guān)機(jī)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角差為Δθ，衛(wèi)星繞俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I22.s，衛(wèi)星繞俯仰軸的力矩為M22.s，星載輻射計(jì)掃描轉(zhuǎn)動(dòng)過程產(chǎn)生的干擾力為Fm，掃描轉(zhuǎn)動(dòng)周期為Tm，星載輻射計(jì)質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心在偏航軸向上的投影距離為L(zhǎng)。則，星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的衛(wèi)星角加速度增量與衛(wèi)星繞俯仰軸力矩增量間的關(guān)系為

根據(jù)動(dòng)平衡測(cè)量原理，由星載輻射計(jì)動(dòng)不平衡量產(chǎn)生的干擾力為

將式(6)代入式(5)可以得到星載輻射計(jì)動(dòng)不平衡量為

綜上，通過力傳感器測(cè)量星載輻射計(jì)動(dòng)不平衡量的方法原理上更為簡(jiǎn)單，傳遞誤差也較小，但需在星載輻射計(jì)安裝面合適位置布置一套高精度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，還需綜合考慮星載輻射計(jì)結(jié)構(gòu)形式、與衛(wèi)星安裝位置關(guān)系等影響因素。通過陀螺儀測(cè)量衛(wèi)星轉(zhuǎn)角信息獲取星載輻射計(jì)動(dòng)不平衡量的方法不需要增加額外硬件測(cè)試設(shè)備，僅通過衛(wèi)星原有的姿軌控系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)，但存在測(cè)量干擾較多、多級(jí)換算傳遞誤差大等劣勢(shì)。

3.3 在軌動(dòng)平衡實(shí)時(shí)調(diào)整反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為對(duì)星載輻射計(jì)在軌掃描轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)平衡狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和閉環(huán)控制，在軌動(dòng)平衡實(shí)時(shí)調(diào)整反饋控制必不可少?？刂葡到y(tǒng)以在軌動(dòng)平衡實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的星載輻射計(jì)動(dòng)不平衡量作為控制輸入，通過控制器內(nèi)響應(yīng)控制算法的處理解算，分配質(zhì)量分布調(diào)整的最優(yōu)控制指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量滑塊相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行在軌動(dòng)平衡配平，并將配平后輸出的殘余動(dòng)不平衡量反饋給實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)框圖如圖5 所示。

圖5 在軌動(dòng)平衡實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)反饋控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of real-time adjustment feedback control system for on-orbit dynamic balance

應(yīng)針對(duì)在軌動(dòng)平衡調(diào)整反饋控制系統(tǒng)“快、準(zhǔn)、穩(wěn)”的要求，以星載輻射計(jì)動(dòng)平衡指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合在軌動(dòng)平衡實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)采樣頻率、質(zhì)量滑塊系統(tǒng)滑軌驅(qū)動(dòng)參數(shù)等指標(biāo)，設(shè)計(jì)合理的在軌動(dòng)平衡實(shí)時(shí)調(diào)整反饋控制系統(tǒng)，同時(shí)需滿足系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等各項(xiàng)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文對(duì)星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，提出在軌動(dòng)平衡技術(shù)應(yīng)用需求和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。初步探討了星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡技術(shù)，包括在軌動(dòng)平衡配平技術(shù)方案、在軌動(dòng)平衡測(cè)量技術(shù)、在軌動(dòng)平衡實(shí)時(shí)調(diào)整反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可為今后旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡技術(shù)研究及在軌工程實(shí)現(xiàn)提供一定的參考依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)還處在地面動(dòng)平衡理論和測(cè)試技術(shù)研究從低精度向高精度轉(zhuǎn)變的過程。隨著今后衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，星載輻射計(jì)動(dòng)平衡技術(shù)勢(shì)必會(huì)成為航空航天領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)久研究課題，在軌動(dòng)平衡技術(shù)將成為星載輻射計(jì)在軌動(dòng)平衡控制的發(fā)展趨勢(shì)，也有望盡快實(shí)現(xiàn)型號(hào)在軌工程應(yīng)用。