运动控制空间

振动，真空，极端极值和高辐射水平仅仅是一些挑战空间系统必须克服的挑战。

工业环境可能出现重大挑战：热，电子噪声，污染，空间限制和极端性能或终身要求。然而，这种环境确实提供了一个很大的优势：可以达到维护。伺服电机无法正常运行吗？调整它。一个驱动器失败了？放入一个新的。

太空可没有这么宽容。发射使部件暴露在高振动和高温下。一旦进入轨道或超出轨道，它们就会遭遇真空条件和低至零下160摄氏度的温度。行星和深空任务必须经历数年的过境时间，然后还要面对火星的高温和尘埃，或者木星的高得惊人的辐射水平。最重要的是，无法进入地球轨道之外的幽灵就像一片乌云一样笼罩着整个设计过程。建造空间系统与为工业环境生产机器是完全不同的命题，但通过精心的设计，运动控制可以应付自如。

向上，向上，然后离开
运动控制在空间应用中的作用始于发射台。商业运载火箭专家SpaceX(加利福尼亚州霍桑)使用伺服电机优化混合燃料的猎鹰9号火箭发动机(参见图1)。一个两阶段设计9个引擎在第一阶段和第二阶段,火箭燃烧一种高度精炼的煤油称为RP-1,这需要氧气作为催化剂(见图2)。在发动机中，在混合燃料进入燃烧室之前，管道将两种燃料结合在一起。尽管RP-1不需要精确的氧气量来成功燃烧，但混合物必须是精确的，否则其中一个或另一个燃料箱将提前空出，将另一个燃料箱中的剩余推进剂变成扼杀速度的压舱物。燃油微调阀确保这种情况不会发生。

燃料混合物的基本比例由管子的直径从单个罐中设定;燃料饰边阀调节流量的一小部分以实现甚至消耗。每个燃料装饰阀采用基于双闭环控制的伺服电机直接驱动的蝶阀。外环调节阀角，而内环保持稳定的位置，面对发射应力。

这些发射压力可能是巨大的。在发射后的最初几分钟内，引擎产生90000磅的推力。不仅相邻的燃料阀受到冲击和振动，它还暴露在燃烧和阶段之间的滑动期间的极端温度波动。事实上，SpaceX工程团队面临的最大挑战不是扭矩、速度或精确度，而是找到一种能够存活下来的发动机。

该团队在电机后测试了电机，最后选择使用35毫米直流伺服电机，提供超过40毫米的扭矩。工程团队将其与行星齿轮头配对，以实现159：1减少率。“他们做了很多用振动夹具测试来模拟发射条件，”MicroMo（佛罗里达州克利里达）的应用工程师Gus Geil说。“他们最终切换到无刷电机，真的似乎坚持下去。”

由于发射过程通常不到一个小时，包括海岸时间，功耗不是一个问题，使开关成为无刷电机的无刷子权衡。迄今为止，SpaceX已获得新的Falcon 9启动车辆的近二十二十多名合同。虽然NASA仍然是Spacex的单一最大的客户，但该公司拥有与多家国际客户的商业合同，使商业发射市场的承诺更接近现实。

漫游者来自地球，尘埃来自火星
火星火车站任务已将三辆车上放在火星地面：1997年，1997年，2003年的精神和机遇，所有由喷射推进实验室设计和建造（见图3）。为了遍历火星地形的岩石地面和陡峭的斜坡，六轮车辆从电机中需要显着的功率对质量性能。Sojourner加入了25毫米直径，20-W拉丝直流伺服电机和16毫米直径4.5米电机。精神和机遇也使用了25毫米电机，但加入了额外的20毫米直径为4-W电机。齿轮箱进一步增加扭矩。

这些部件不仅需要在发射时的高振动环境中生存，还必须安全抵达火星，并在火星表面部署后执行任务。火星的特点是低压、低湿度的环境和高二氧化碳的大气。温度从零下133摄氏度到27摄氏度，从一开始，这就是一个挑战，马克森汽车公司(Maxon Motor, Framingham，马萨诸塞州)的销售工程师杰夫·兰德尔说。兰德尔说:“有一个带有一组刷子的电机来完成一项任务。”如果绕组、电刷或滚珠轴承失效，电机就停止工作。喷气推进实验室的团队对电刷材料进行了广泛的测试，然后确定了碳-石墨-铜混合物的设计，以适应环境。

当然，没有润滑，任何电机都不能正常工作。对于无法到达设备进行维护的应用场合，这一点尤为重要。兰德尔观察到:“在这类应用中，润滑剂的选择至关重要，因为如果润滑剂不适用于特定环境，它就会蒸发，这会导致电机很快失效。”该团队使用了Bray 601湿润滑剂，该润滑剂的工作温度范围为-100℃至+90℃，足以满足他们所面临的条件。更重要的是，润滑剂的蒸汽压很低，这可以防止它在低压环境中沸腾。

所有的努力都有回报吗?这些任务取得了巨大的成功，超出了所有人的预期。兰德尔说:“他们有特定的寿命要求，需要电机来实现。”“规格是90天，但喷气推进实验室用发动机，以这样的方式设计，火星探测器可以持续5年。他们所做的真的很了不起。”

木星短途旅游
难以相信，火星克服的问题通过与朱诺项目的挑战进行比较来追逐看起来驯服。Juno SpaceCraft将前往Jupiter来从极地轨道映射行星的磁性和重力田地和大气。过境到地球需要五年，其次是一年的观察团。

Lockeed Martin Space Systems（丹佛，科罗拉多州丹佛）的机制设计师说，持续的建筑系统的一半只是使用良好的设计原则。他说：“制造一个没有大量滑动摩擦的机制，而不是蠕虫齿轮，那个性质的东西，”他说。“良好的润滑是必不可少的，因为材料兼容性是必不可少的 - 例如，在没有一些异国情调的润滑油或之间的协同涂层，不要将15-5钢运行15-5钢。我们在这些类型的应用程序中使用了很多氮素60。即使润滑油稀疏，材料也没有亲和力彼此开始板。这样的事情让你设计一台会持续的机器。“

Juno Spacofraft设计包括由在航天器周围的120°的三架太阳能电池板提供动力的探头（参见图4）。它们由一个轻质的钛阳极氧化桁架支撑，该桁架呈粘附，以减少发射率至0.03，并且由6.5英寸中风的线性致动器形成的轭（参见图5）。面板将折叠为发射，然后释放到通过粘性阻尼器被动地部署。在运输过程中，系统将在旋转航天器的旋转中纠正轻微的摆动，以通过使用三个太阳能电池板的质量通过指向轴坐标。系统使用具有210：1行星齿轮夹的三相步进电机驱动的三个致动器移动面板位置。“其中一个资产是被动制动器[保持扭矩]，”脑袋说。“这对于非常有限的力量是有利的。”

滚珠丝杠执行机构翻译另一组轴承，从它被一个弯曲分离。由于滚珠丝杠与齿轮系分离得太远，其运动受到执行机构总成672:1减速比的限制。洛克希德·马丁空间系统的机械设计师乔恩·泰勒说:“我们不认为它需要走完整的行程。”“它将被使用大约5次。我们希望在太阳能阵列部署好后对其进行调整，将航天器的旋转轴调整到指向轴。随着燃料耗散，重心可能会移动，因此我们需要再次调整太阳能电池板的位置，使自转轴与指向轴对齐。”线性电位器将提供反馈，但系统被设计为开环操作。一些零件看到相当多的周期，但考虑到大齿轮传动的组合杠杆被动挡，连接到球轴承和小正齿轮设置做最小的工作，组装应该持续很长时间。

其中一个挑战是整个组装的热变化。滑动太阳能电池板的支撑结构的尖端可以降低至-160℃，而组件的驱动部分被热稳定。桁架用于低发射率的金色，加热器和毯子覆盖运动部件，以保持其在-60℃的相对较高温度下。

有趣的是，考虑到可靠性的绝对要求，该总成将进行12次地面测试，共17次循环。为了确认所有的测试不会磨损飞行单元，以及验证设计和识别缺陷，该小组将对一个相同的合格单元进行寿命测试，测试周期为预期飞行单元总循环次数的三倍。如果合格单位能撑过51个循环，那么飞行单位应该能轻松适应17个循环。

掩盖
另一个重要的运动系统操作主机盖的铰链，它保护主机钟不受微陨石的影响，除非它在点火。如果盖失效，任务将严重受损，所以不像太阳能板定位器，发动机盖系统具有完全冗余。“它本质上是一个步进电机驱动另一个步进电机，”泰勒说。两个步进电机配备了齿轮头惊人的1795:1减速比。他继续说道:“主动电机驱动的是非主动电机的被动制动扭矩。”“我们基本上在一个轴上有一个轴，带有冗余轴承、冗余电机和冗余电位器。我们在你能想到的每一个领域都是完全冗余的，除了直接的结构故障，我们不担心对结构故障的冗余。”

为了减少重量，发动机盖步进电机是1.5英寸。在直径，3- 4英寸长，约21盎司，而线性驱动器电机的直径1.25英寸，重量不到一磅。电机是无刷的，消除了真空环境的一个故障点。

与火星罗孚车辆一样，润滑至关重要。对于工艺的温度稳定部分中的湿润润滑剂，团队选择了Penzane Nye 2001和Bray 601 EF。“他们可能不是世界上最安全的润滑油，但它们在真空中非常稳定，”Head说。“突出是一个大问题。你不能在光学上电镀，所以你必须非常真空保险箱。所有胶水，所有聚合物都必须被烘烤或达到美国宇航局标准。“在将降至-160℃的航天器的部分上，该团队用二硫化钼浸渍钛氧化氧化钠，并将滑动表面与其他镀金零件一起浸泡。

最后一个挑战是建造一个系统，它不仅能承受太阳辐射，还能承受木星轨道上的强化辐射，海德称这种辐射的强度是兆级，而不是千级。长时间的暴露会导致零件变脆或减少对粉末的绝缘。Head说:“长期暴露在强辐射下会导致一些失效模式。“木星有一个可怕的辐射问题。我们必须建造一个巨大的保险库，才能让电子设备存活下来。”问题是，像线性驱动器和操作发动机盖的系统这样的机构不能放置在保险库中;它们需要在现场，因此必须使用合适的材料和润滑剂来设计，以在辐射恶劣的环境中生存。部分出于这个原因，海德避免了密封，而是选择与迷宫型盾牌工作。

2011年8月推出的Slated，预计将达到木星五年后达到Jupiter，直到2017年10月。就像火星罗弗队一样，洛克希德马丁的朱诺工程师将尽最大努力设计一个能够更长时间生存的系统，但是具有极端的环境条件，它还不清楚是否有可能。只是满足规范将是一个胜利的胜利。

太空探索为运动控制系统和设计它们的工程师提供了一些最大的可能挑战。使用这里描述的技术类型，随着今天的更强硬，更有能力的组件，团队可以崛起，帮助人类了解更多关于我们宇宙的信息。

致谢
感谢juerg frefel的spacex for有用的对话。