应用于长寿命星船任务的二浮陀螺工程验证

2021-09-01程耀强徐德民郭林肖袁佛才梁刚刚

载人航天 2021年4期

程耀强，徐德民，郭林肖，袁佛才，梁刚刚

(1.西安现代控制技术研究所，西安 710065； 2.西北工业大学航海学院，西安 710072；3.中国航天科技集团九院第16 研究所，西安 710100)

1 引言

陀螺是一种不依赖外界信息自主测量载体姿态的敏感器，是决定惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)精度的核心部件，同时也是IMU 寿命的短板。液浮陀螺以其技术成熟，精度高等因素，在卫星、飞船、空间站等宇航应用领域得到了广泛应用，分为经典液浮陀螺、二浮陀螺和三浮陀螺3 种。在相同精度水平下，二浮陀螺和三浮陀螺的寿命远远高于经典液浮陀螺，是长寿命星船任务的首选陀螺[1]。

目前，国际上IMU 上普遍采用二浮陀螺(液浮＋气浮)或三浮陀螺(液浮＋气浮＋磁悬浮)作为姿态敏感器，这是由二浮陀螺、三浮陀螺空间工作可靠性强(通过空间热力环境考核)、精度高(随机漂移率和漂移稳定性普遍优于1×10－3°/h)、使用寿命长(在轨工作寿命一般在8～15 年)等因素决定的[2－4]。

随着中国空间飞行、天地往返、空间实验室、深空探测等高精尖技术的不断突破，人造卫星、载人(货运)飞船在太空停留和工作的时间不断加长，都对陀螺的使用寿命提出了更高要求。二浮陀螺气浮部分采用了动压气体轴承电机，这是一种无磨损轴承电机，工作时不需要外部供给润滑剂，从理论上讲，电机启动后，寿命是无限长的，因此二浮陀螺是实现中国长寿命星船任务理想的姿态敏感器。而当前，以二浮陀螺作为核心姿态敏感器的天宫目标飞行器和天舟货运飞船均实现了成功飞行[5－6]。

2 需求分析

2.1 长寿命星船任务特点

中国自2005 年掌握了载人天地往返技术之后，空间技术发展明显加快，相继实现了交会对接、探月、货运等关键技术的验证与实施。建造空间站以及探测火星等任务对导航精确性和长寿命提出新的要求，开展卫星、飞船通用产品可靠性改进与试验验证，提高现役应用卫星、飞船在轨使用寿命是未来中国航天发展总体规划的要求之一[1]。

星船系统技术水平高、新技术应用广泛、设计周期长、代价高、可维护性差，这些因素决定了星船任务具有3 个主要特点[6－8]:

1)需具备良好的热、力学环境适应性。星船设备运行在空间真空环境中，与人类生活的近地空间环境相比，空间高低温温差明显，未知电磁干扰密集，这些环境对星船系统的设计、运行轨道、姿态、表面材料、内部器件及电位都会产生显著影响；

2)需采用冗余设计提高系统的可靠性。系统的可靠性不仅直接反映系统的质量指标，而且关系到整个系统运转的成败。增加可靠性较低的关键元件的数量(比如陀螺)，可以较小成达到提升系统可靠性的目的；

3)需兼具高精度的性能保持能力和在轨长期运行的寿命。长寿命星船系统是中国空间技术迅速进步的需要，也是提高星船效益的重要途径和发展方向，而设备的性能保持能力是长寿命的必然需求，良好的性能保持能力是指系统参数满足长期稳定性要求。

2.2 二浮陀螺研制需求

很长一段时间以来，中国星船系统的设计受到惯性器件的限制，寿命较短，国内经典液浮惯性器件在轨寿命一般在1～2 年左右，提高惯性器件的寿命、改善其热力学环境适应性成为长寿命星船任务的关键环节，基于长寿命星船任务的特点，对二浮陀螺提出了以下的研制需求[8]:

1)设计寿命不低于6 年；

2)具有良好的力学环境适应性，能够经受14g正弦扫描试验考核、14grms 随机振动试验考核，能够经受600g冲击试验考核；

3)最大设计量程不低于20 °/s，在微角速度和微重力条件下，二浮陀螺分辨率优于1 ×10－3°/s；

4)二浮陀螺需具有良好的长期稳定性。

2.3 二浮陀螺的研制

二浮陀螺是在经典液浮陀螺基础上经过技术改进发展起来的，二者的陀螺房均采用液体悬浮，区别是陀螺转子不同，经典液浮陀螺采用滚珠轴承电机，而二浮陀螺采用动压气体轴承电机，除此之外，两种陀螺其他部件是相同的。动压气体轴承是二浮陀螺的核心部件，也是二浮陀螺具有长寿命特性的原因所在。

对轴承电机而言，润滑剂是其工作必须的辅材。一般来说，润滑剂需要借助加压构件为轴承持续润滑，在此过程中，润滑剂往往会产生自生污染，给轴承电机的性能和寿命造成影响。动压气体轴承电机巧妙避开了这些不利因素，采用气体作为润滑剂(不需要任何外部供给的润滑剂)，所以不需要流体处理用的普通加压系统构件，使得结构变得简单，气体润滑的特性不会有根本的改变；没有自生污染物对连续工作的限制，因此从理论上讲，动压气体轴承电机启动后，其寿命是无限长的(实际已经达到15 万小时以上)。

动压气体轴承的长寿命是由气体作为润滑剂的几个优点决定的:

1) 气体的粘度相对较好，气体的粘度随着温度的升高而增大，因此这种轴承的承载能力随着温度的升高而增大；

2) 在大温度范围工作时，气体的化学性能比液体更稳定，没有变质现象，若采用惰性气体(比如氦)，则其化学性能更加稳定；

3) 在空间电磁辐射下，气体润滑剂不会损坏，相位非常稳定；

4) 气体是可压缩介质，在轴承的间隙中运动时，力矩变化很微小，可以获得长期稳定的工艺性能。

3 二浮陀螺的工程验证

3.1 长寿命验证

在正常工作条件下，动压气体轴承电机的定转子元件由气膜分离，无磨损，只有在启动和停止时，定转子之间才会相互摩擦，因此二浮陀螺的寿命主要取决于电机的“启－停”次数。理论分析和半实物仿真技术是一种常规寿命分析手段，方法简单，但往往由于建模不准确而使分析效果出现偏差，带来工程隐患[9]。因此本文直接采用了更能说明电机性能的实物“启－停”试验。

根据已经获取的国内二浮陀螺的“启－停”数据[10－14]，3 只动压气体轴承电机子样按照电机轴H 向下、电机轴H 向上、输入轴IA 54°斜装向下、输入轴IA 54°斜装向上和电机轴H 水平5个方向各进行了3000 次的“启－停”试验，对二浮陀螺在星船任务中可能处于的各个位置进行覆盖性测试。在15 000次的试验过程中，气体轴承电机子样均运转正常，表1 给出了某气体轴承电机在15 000次“启－停”试验前后参数值的对比情况。

表1 “启－停”试验前后某气体轴承电机参数值对比情况Table 1 Comparison of parameters of a gas bearing motor before and after “start-stop” test

由表1 可知，该气体轴承电机“启－停”前后，启动参数和工作参数波动很小，启动功率最大变化不超过0.3 W，三相启动电流最大变化不超过12 mA，启动时间变化不超过0.64 s，稳态功率最大变化不超过0.5 W，三相启动电流最大变化不超过10 mA，惯性时间变化不超过12 s，“启－停”试验前后电机工作正常。说明二浮陀螺可以实现在各个方位的可靠“启－停”，工作寿命可以保证。

3.2 环境适应性验证

对于长寿命二浮陀螺，动压气体轴承是其薄弱环节，在实际应用中，二浮陀螺的寿命主要取决于电机的“启－停”次数和工作可靠性[15－17]。本节主要验证二浮陀螺工作时的可靠性(防卡死)问题。

采用力学环境试验考核二浮陀螺的工作可靠性是一种有效手段[10]。力学环境试验能够使气体轴承的转动部分与静止部分之间产生不规则的相互位移，影响轴承中的流动气体动力学平衡，使承载能力骤然下降。同时过大的瞬间加速度作用将使轴承过载，摩擦力矩突然增大；又由于高速滑动引起恶劣应力和激烈发热，其结果会破坏轴承表面光洁度和几何精度，甚至会使陀螺卡死失效。因此只有经过比星船任务更严酷的力学环境试验考核，才能保证二浮陀螺能够用于长寿命星船任务。

选取3 只完成了高低温、振动筛选的二浮陀螺，通过加严的力学环境试验条件，对其进行考核，试验顺序及条件为(g＝9.794 06 m/s2，振动顺序:电机轴H 向、输入轴IA 向、输出轴SA 向):

1)正弦扫描试验，频率范围:0～100 Hz，最大振幅0－P:14g；

2)随机振动试验，频率范围:0～2200 Hz，功率谱密度量级:14grms；

3)冲击试验，频率范围:0～3000 Hz，最大冲击谱值:600g。

表2 给出了某只二浮陀螺试验过程中的参数监测数据。

表2 某只二浮陀螺试验过程中的参数监测数据Table 2 Parameter monitoring datas of a two-floating during test

从监测数据看，振动过程中电机工作电流变化很小，功率最大变化量仅为0.88 W(设计指标为不大于2.8 W)，这是由振动造成的轴承过载引起的。试验中电机工作正常，各项参数均在正常范围内。

为了更好地说明二浮陀螺具备良好的抗力学环境能力，比较试验前后二浮陀螺的漂移变化情况，如表3。

表3 某只二浮陀螺试验前后陀螺漂移变化情况Table 3 Variations of gyro drift before and after a two-bearing gyro test

由表3 可知，力学试验前后，二浮陀螺零位(DF)极差最大值为0.138 2 °/h，优于0.3 °/h的指标要求，二浮陀螺与g 有关项系数(DS、DI)极差最大值分别为0.377 4 °/(h˙g) 和0.559 0 °/(h˙g)，优于0.80 °/(h˙g)和0.78 °/(h˙g)的指标要求，远优于星船任务的空间应用要求，可见二浮陀螺具有较强力学环境适应性，能够满足长寿命星船任务对二浮陀螺空间环境适应性的要求。

3.3 大量程与高分辩率测姿能力验证3.3.1 大量程

由二浮陀螺工作原理知，ωI＝－KTI(t)＝－KM/HI(t)，其中ωI的值反映的就是二浮陀螺的量程。最大加矩速率ωImax与陀螺力矩系数KM、动量矩H、力矩反馈回路电流I(t) 有关。其中KM和H由二浮陀螺参数决定，而力矩反馈回路最大电流与陀螺外围控制电路有关，通过调整这3 个参数，理论上可以提高二浮陀螺的量程，在工程上，增大KM、减小H是较容易实现的方案。陀螺电机为高速旋转的转子，陀螺动量矩可表示为式(1)[14]:

式中，I为电机的转动惯量；ω为电机旋转角速度；m为电机质量；r为电机各部分到质心距离；i＝1，2，3，4，……。由公式(1) 可知，电机的动量矩H与电机转速、转子的尺寸和质量相关，减小电机转速和质量，可以达到提高陀螺量程的目的。而二浮陀螺的转速又与其寿命相关。二浮陀螺的寿命表达为公式(2)[13]。

式中，L10h为基本额定寿命(h)；C为基本额定动载荷(N)；P为当量动载荷(N)；ε为寿命指数(球轴承ε＝3，滚子轴承ε＝10/3)；n为轴承转速(r/min)。该公式用于衡量液浮系列陀螺的寿命，对评估二浮陀螺的寿命具有借鉴意义[6，8－9]。由公式(2)可知，降低二浮陀螺的转速，可以提高陀螺的寿命。换言之，在满足漂移指标的前提下，降低转速，可以提高陀螺寿命，同时也可以提高陀螺量程。采取该措施后，对二浮陀螺和外围电路构成的角速度测量系统进行量程测试，得到其最大量程约为23 °/s，完全满足星船任务的测姿要求(不低于20 °/s)。

3.3.2 高分辨率

二浮陀螺的高分辨率是针对太空微重力环境和卫星、飞船空间运行时的姿态缓慢变化提出的。要保证卫星、飞船惯性导航的精度，二浮陀螺必须具有较高的分辨率，在小角速度输入时，能够精确敏感并输出相应的脉冲值。分辨率与陀螺设计和装配的摩擦力矩、电磁力矩、游丝力矩、摩擦力矩产生的附加摩擦力矩、力矩器和传感器的死区以及陀螺外围电路的模数转换精度等相关。二浮陀螺的误差方程为式(3)[14]:

式中，NGx、NGy、NGz为二浮陀螺3 个通道在单位时间内输出的脉冲数，plus/s；D0x、D0y、D0z为二浮陀螺3 个通道的零偏，plus/s；Kxy、Kyx、Kzx、Kxz、Kyz、Kzy为二浮陀螺3 个通道与g 有关项漂移系数，plus/(s˙g0)；Exy、Eyx、Ezx、Exz、Eyz、Ezy为二浮陀螺三个通道相对于IMU 坐标轴的安装误差角，plus/"；Ax、Ay、Az为IMU 坐标轴方向的加速度，g0；ωx、ωy、ωz为IMU 坐标轴方向的角速度，"/s。

在公式(3)基础上，工程中二浮陀螺分辨率测试方法和步骤如下:

1)通过合像水平仪测量出测试平板的平面度，将平面度调整在精度允许范围内，通过经纬仪测量出北向挡块与北向的垂直度，将垂直度调整在精度允许范围内；

2)将IMU 装入标定工装，通过标定算法标定出公式(3)中二浮陀螺的15 个误差参数，共标定2 组，具体标定方法见参考文献[13]；

3)第二组标定完成后，静置一段时间(不少于4 h)，重新给产品加电，按照IMU 坐标轴将工装分别放置在东北上、西南上、南东上、北西上4个位置，各进行2 min 采样；

4)将2)中两次标定的误差参数取平均，并和3)中4 个位置标定的3 个二浮陀螺的原始数据一起带入公式(3)的误差方程中，计算出4 个位置下3 块陀螺的敏感值，计算方法为:东向陀螺的敏感值即为东向陀螺的分辨率；北向陀螺的敏感值减去ωiecosα即为北向陀螺的分辨率(α为当地纬度)；天向陀螺的敏感值减去ωiesinα即为天向陀螺的分辨率。

在已经获取的测试数据中，二浮陀螺在外界输入角速度0～1 °/s 时，其分辨率优于1.865×10－4°/s，表4 列出了6 块二浮陀螺分辨率测试的结果，能够满足长寿命卫星、飞船任务对二浮陀螺高分辨率的要求(不低于1×10－3°/s)。

表4 6 块二浮陀螺分辨率测试结果Table 4 Resolution test results of 6 two-floating gyroscopes

3.4 长期稳定性验证

二浮陀螺的测量精度直接影响星船系统的导航精度。将影响二浮陀螺测量精度的误差参数辨识出来，经误差补偿后就可提高星船系统的导航精度。这些误差参数就是公式(3)中的15 个误差参数，这些误差参数是每一只二浮陀螺固有的，且非定值；随着时间变化，误差参数也会发生变化，使得之前辨识的误差参数对星船系统导航精度产生影响。二浮陀螺装入卫星和飞船后，误差参数将不能重新辨识，因此长寿命星船任务对二浮陀螺提出了长期稳定性的要求，二浮陀螺误差参数的长期稳定对星船系统的运行精度起着重要的作用。

为了提高二浮陀螺误差参数的长期稳定性，技术上采取了如下5 项改进措施:

1)采用零静差技术，设计改进了二浮陀螺的精密温控系统，在真空全温范围内(－25～55 ℃)温控精度达到优于0.2 ℃的工程应用水平。温度，尤其是温度梯度对二浮陀螺测量精度影响很大，减小热真空高低温环境下浮液的温度梯度，可以提高陀螺的工作精度，同时减小由于温差产生的材料、结构、安装匹配的误差，保证精度一致性。

2)采用指标加严考核的方式，加强二浮陀螺的筛选。惯性器件也符合电子产品浴盆曲线失效规律，大量测试数据显示，二浮陀螺短期稳定性测试数据对二浮陀螺误差参数的长期稳定性具有极强的参考价值，可以通过短期稳定性测试数据预计长期稳定性趋势，加严考核的严酷程度和短期稳定性测试与性能保持期的比例关系相关[12]。

3)建立二浮陀螺通过6 年长期稳定性考核的数据库，绘制其包络线，作为二浮陀螺装入IMU的选用参考曲线，只选用符合参考曲线的二浮陀螺。

4)借助灰色模型(Grey Model)等理论建立二浮陀螺误差系数的预测模型，通过模型预测二浮陀螺长期稳定性趋势，提前剔除可能不满足长寿命星船任务的二浮陀螺。

5)针对二浮陀螺与g有关项系数长期稳定性指标难以控制的实际情况，在2 个方面开展了研究工作:①研究产品在环境试验下的性能；②在工艺流程中重视辅料的来源和质量管控，严格控制多余物。

为了研究二浮陀螺在实际应用中的误差参数稳定性水平，本文将3 只二浮陀螺装入IMU 台体，进行了6 a 稳定性测试，测试结果显示，二浮陀螺主要误差参数随机漂移、常值漂移稳定性、与g有关项漂移系数稳定性、标度因数稳定性指标，6 a 变化量远优于货运飞船6 a 稳定性指标要求。因此二浮陀螺能够满足长寿命星船任务对二浮陀螺长期使用精度的要求。