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MHD角速度传感器在航天任务中的应用


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真空与低温 Vacuum & Cryogenics

第 17 卷   2 期 第 2011 年 06 月

MHD 角速度传感器在航天任务中的应用
霍红庆 , 马勉军 , 李云鹏 , 邱家稳 ( 1. 兰州空间技术物理研究所 ,甘肃 兰州 730000; 2. 中国空间技术研究院 ,北京 100086 )
摘   : MHD 角速度传感器具有质量轻 、 要 体积小 ,高频宽带测量等特点 ,是空间应用的理想惯性传感器 。首先介 绍了 MHD 角速度传感器的原理 ,以及其在航天卫星平台振动测量方面的成熟应用 ; 其次分析了 MHD 角速度传感器 需要解决的关键技术 ; 最后展望了我国对其在航天任务中的应用前景 , 以期望推动我国在微角振动测量传感器研究 方面的发展 。 关键词 : MHD 角传感器 ; 感生电势 ; 卫星平台 ; 角振动测量 中图分类号 : V448            文献标识码 : A      文章编号 : 1006 - 7086 ( 2011 ) 02 - 0114 - 07
DO I: 10. 3969 / j issn. 1006 - 7086. 2011. 02. 0010 .
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THE APPL ICAT I N O F M HD ANGULAR RATE SENSO R IN AERO SPACE O
HUO Hong - q in g , M A M ian - jun , L IY un - peng , Q IU J i - wen a ( 1. Lanzhou I stitute of Physics, Lanzhou 730000, Ch ina; n 2. Ch ina Academ y of Space Technology, Be ijin g 100086, Ch i a ) n Abstract: The MHD angular rate sensor (MHD ARS) with the characteristics of light weight, s mall size, broad bandw idth is a perfect inertia sensor for space app lication. In this paper, the p rincip le of MHD ARS and its app lication in spacecraft are introduced firstly Then the key technique of MHD ARS is p resented secondly Finally, the paper shows the future of MHD . . ARS in our aerospace app lication in the hope of p romoting the research of the angular vibration sensor . Key words: MHD angular rate sensor; faradis ; spacecraft; angular vibration m
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1    引 言

随着空间对地观测 、 激光通讯等技术发展 ,对卫星和载荷的定位 、 跟踪和指向要求不断提高 ,对卫星平台 稳定性控制也不断提高 。卫星微角颤振高精度测量与控制是实现卫星平台与遥感系统等有效载荷高精度姿 态指向的基础 。为了获得高分辨率图像 ,对地观测卫星平台指向精度一般要求小于 10 μ rad; 而光学与微波 [ 1, 2 ] 等遥感系统的指向精度一般要求小于 1 μrad,甚至要求达到 0. 05 μ rad 。 一般 ,对于频率低于 1 Hz的指向和微角振动测控 ,航天器主要采用陀螺仪或光学系统作为参照来实现 ; 而对于频率高于 1 Hz的指向和微角振动测控与分析 ,目前的航天器则主要依赖于角度传感器 (角位移 、 角速 [3] 度和角加速度 ) ,其测控精度通常要求小于 1 μ rad 。
MHD 角速度传感器是目前卫星平台用以测量微角颤振比较成熟的传感器 ,已经在国外多项任务中得到

应用 。由于 MHD 角速度传感器具有体积小 、 质量轻 、 响应快等特点 ,能够在线实时反映被测对象的角振 动信息 ,对于提高我国卫星平台的稳定性和有效载荷的成像质量水平起到基础保障作用 。
2  MHD 角速度传感器的特点和应用 2. 1  MHD 角速度传感器的原理及特点

[4]

  MHD - ARS惯性角速度传感器工作原理基于磁流体动力学效应 (M agneto - Hydro - Dynam ics, 简称

收稿日期 : 2011 2 2 04 02.

作者简介 : 霍红庆 , (1973 - )男 ,山西省文水县人 ,博士研究生 ,高级工程师 ,从事空间微重力技术及微振动测量技术研究 。

                   霍红庆等 : MHD 角速度传感器在航天任务中的应用

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MHD ) 。如图 1 所示 ,当有相对于传感器敏感轴的角速度产生时 , 由于导电流体的相对惯性大 (可认为其相

对静止 ) ,流体与磁体及固定框架部分之间产生相对运动 ; 在洛仑兹力作用下 , 导电流体的内外侧电极面之 间产生电势差 。该电势差与输入角速度成比例 ,经过后续电路放大处理可以被检测采集 。

图 1  MHD 角速度传感器工作原理示意

   由法拉第感生电势定律 ,导电液体垂直磁场 B 以 U 运动 , 则其两端产生电压 Ez 为 Ez = Uφ × r B 式中  Uφ 为惯性导电液体与外壳的相对速度 ; B r 为惯性导电液体处的磁感应强度 。 Uφ ( t) = ω ( t) ×rrm s ω 式中   ( t) 为相对角速率 ; rrm s为惯性液体的均方根半径 。 则总电压为上下两极板间产生的总电压和
V z ( t) = E ( ∫z, t) dz
z

( 1) ( 2)

( 3)

   这样 ,考虑导电液体为均匀液体 ,其沿 Z 轴向速度一致 ,且对称 ,则可表示为角速度的函数 V z ( t) = B r rrm s lzωz ( t) 式中   lz 为上下电极间距离 。 典型的 MHD 角速度传感器性能见表 1 所列 。
表 1  典型 M HD ARS传感器性能 [ 5] 产品牌号 体积 质量 输入电压 输出电压 功耗 带宽 可获得的输出量 温度敏感性 等效角速度均方根噪声值
ATA  ARS - 12G 25. 4 × 5 × 8 mm 20. 50. 0. 2 kg

( 4)

± V 15 ± V 10
< 0. 3 W 1 ~1 000 Hz

角加速度 、 角速度 、 角位移
600 × 10
-6

/℃

< 8 μ rad / s ( rm s )

MHD 角速度传感器可输出角加速度 、 角速度 、 角位移等角颤振信息 ; 宽动态范围 (大于 100 Hz) ; 测量精 度高 (小于 0. 1 μ rad rm s) ; 宽测量频带 ( 1 ~1 000 Hz) ; 整体结构简单 , 体积小 、 质量轻 、 功耗低 ; 交叉轴相干

影响和线加速度不敏感 ; 没有活动部件 ,可靠性高 ; 没有机械饱和 ,在定向时能够快速响应 ; 适应温度环境较 [6] 宽 ; 耐受高加速度冲击环境 。

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2. 2  MHD 角速度传感器在航天任务中的应用

由于 MHD 角位移传感器自身具有的特点 , 非常适宜空间任务应用 。目前 , 美国应用技术联合体 ( Ap 2 p lied Technology A ssociates, U. S A ,以下简称 ATA 公司 )生产的系列 ARS传感器已经得到空间飞行试验和 . 验证 。 [ 7, 8 ] 2. 2. 1   中继卫星反射镜试验 ( RM E )应用 中继卫星反射镜试验 ( Relay M irror Experim ent)是美国战略主动防御组织 ( SD I ) 出资研究的 。 RM E 特 O 殊的目标是验证 SD I 要求水平的定位 、 O 跟踪和指向技术 。其主要组成有 ,地面发射基站 ( LSS) ,空间中继卫 星 ,地面目标接受基站 ( TSS) , 见图 2 所示 。基本工作方式 : 地面基站发出一束激光 , 指向轨道目标反射镜 (是空间中继卫星核心载荷 ) ,激光经反射后由相应的配套地面接受站或测量站捕获 。
图 2  RM E及其构成

   MHD 角速度传感器安装在空间中继卫星内 ,属于宽频角振动测量系统 , 主要作用是测量星上跟踪和指 向光学系统的角振动信息 。由于是该传感器首次应用于卫星任务 , RM E 试验卫星共用 6 个 HND 角速度传 感器 ,以便相互比对测量和验证 。试验结果表明 MHD 角速度传感器在轨性能与地面性能一致 。在轨测量 频带 3 ~1 000 Hz的角位移噪声功率谱有效值 ( RM S)达到 100 nrad。 [ 9, 10 ] 2. 2. 2  GOES卫星应用 由美国海洋大气局 (NOAA )与航宇局 (NASA )联合研发 、 波音公司 ( Boeing Co. ) 制造的新一代静止轨道 环境卫星 Goes - N (参见图 3 ) ,于 2006 年 5 月成功发射 。它是当今世界最先进的气象卫星 ,其跟踪定位飓风 的精度比其上一代卫星高 4 倍 ,平台分辨率为 400 m ,角位移控制精度 25 μ rad。 该卫星微角颤振测控采用了美国 ATA 研制的 Dynapak12 型高精度三维角速度传感器 ,是由 3 个相互正 交的 ARS - 12G所集成 ,角速度传感器与太阳 X 射线成像仪 、 射线遥感器等主要有效载荷安装在同一个平 X 台上 ,如图 4 所示 ,其主要作用是提供平台高频部分的角振动信息 ,为太阳 X 射线成像仪 、 射线遥感器等成 X 像数据提供支持 。图 4 所示为角位移传感器与有效载荷在 GOES - N 卫星上的整体安装 。

图 3  GOES - N 卫星

                   霍红庆等 : MHD 角速度传感器在航天任务中的应用

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图 4  MHD 角速度传感器在 GOES - N 中的安装

2. 2. 3  ALOS卫星应用

[ 11, 12 ]

日本航空航天探测署研制的于 2006 年 1 月发射升空的先进陆地观测卫星 ALOS (参见图 5 ) ,它采用先 进的陆地观测技术 ,获取全球高分率陆地观测数据 ,用于测绘 、 区域观测 、 灾难监测和资源勘探等领域 。卫星 装载 3 台遥感器 : 1 台全色立体测绘仪 ( PR IS ) , 1 台先进可见光与近红外辐射计 - 2 (AVN IR - 2 ) , 1 台相控 M 阵 L 波段合成孔径雷达辐射计 ( PALSAR ) , ALOS采用了高速大容量数据处理 、 卫星精确定位与姿态控制等 先进技术 。为了高分辨率图像的精确地理位置测定 ,指向测定精度达到 3. 49 μrad。ALOS的指向定位系统 融合运用了从星跟踪器 、 、 陀螺 角位移传感器等途径所采集的数据 ,获得了优良的指向测定精度 。 ALOS使用的角位移传感器 MHD - ADS是以美国静止轨道环境卫星 GOES系列所采用的角速度传感器 ARS - 12G为原型的改造型 (参见图 6 ) 。与 ALOS的 AOCS (姿态和轨道控制系统 )的姿态测定相比较 ,三维 MHD - ADS在宽带高频率下 ( 2 ~500 Hz)可提供高精度的指向信息 ( 50 nrad, r s, ) 。角位移传感器与立体 m 测绘仪安装在同一个刚性基座上 (参见图 7 ) ,其测量数据与立体测绘仪测量数据一同下传 ,作为姿态振动误 差的数据修正 。

图 5  日本先进对地观测卫星 ALOS

3  MHD 角速度传感器关键技术 MHD 角速度传感器主要功能为星上高频率宽频带 ( 1 1 000 Hz)角振动信息的测量 ,是实现卫星高稳定 性的必要手段之一 。MHD 角速度传感器主要性能指标为测量频带 、 测量范围 、 噪声水平 (或测量精度 ) 。由

于是长期在轨执行部件 ,同时要求安全性 、 可靠性和空间环境适应性 。以下主要论述该类传感器设计与制造

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  真空与低温                     17 卷第 2 期   第

的关键技术 。

图 6  ALOS使用的角位移传感器

图 7  角位移传感器在 ALOS卫星上的安装位置

3. 1   导电流体选择及封装

由于导电流体作为惯性体在传感器内随振动自由运动 ,由磁流体力学运动方程 ,可以得到角速度传感器 探头部分的传递函数
H ( s) = B lrrm s s s + C I ( 5)

式中  s为拉氏算子 ; C 为导电流体受到电磁阻尼与机械阻尼 (流动黏性阻尼 ) 之和 ; I为导电流体的转动惯 量。
C 由式 ( 5 )可以看出 , 越小 ,则式 ( 4 ) 结果越接近真实的被测量 。所以导电流体需要惯性大 (质量大 ) 、 I

受器壁流阻影响小 ,即需要导电流体在常温下黏性系数较小 。同时导电液体自身组成电路的回路部分 ,为产 生足够的电流信号 ,所以又需要导电流体电阻率小 。并且在空间飞行器运行环境下 ,其导电性 、 黏性不能有 大的变化 ,且为不易挥发材料 。 为进一步降低导电流体与接触壁间的流阻 ,需要对接触壁 (非电极面部分 ) 进行镀润滑膜处理 , 镀膜考 虑绝缘性能 、 与导电流体的润湿性 ,导电流体的腐蚀性 (溶解性 ) 、 在空间环境的适应性等 ,镀膜的材料和工 艺过程需要优化设计 。 同时 ,由于传感器长期在高真空 、 、 振动 高低温交变环境 ,导电液体泄漏 、 挥发会引起卫星内其他电子设 备短路 ,危害星内设备 。所以 ,对导电液体需要作可靠密封 。一般可采用结构组装密封结合环氧胶密封相结 合方式 。当然 ,经过封装处理的传感器还需要经过力学 、 、 热 真空等环境验证 。
3. 2   磁场设计

根据传感器原理 ,测量信号与磁场强度 、 导电流体环的半径 、 高度成正比 ,而受测量需要 ,传感器自身体 积限制 ,导电流体环的半径 、 高度设计在 1 cm 左右 ,磁场成为影响传感器性能的最关键因素 。为取得足够的 检测信号 ,要求在导电流体内部有足够的磁场强度 ,并且要求在导电液体内部均匀 。若磁场设计不合理 ,会

                   霍红庆等 : MHD 角速度传感器在航天任务中的应用

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造成在导电液体内部自运动 ,产生其他轴向运动的耦合噪声影响 ,另外传感器内部结构的漏磁和外部磁场干 扰都是造成传感器耦合噪声的主要来源 。磁场设计主要由永磁体提供 ,永磁体材料要求其最大磁能积大于 3 240 kJ /m 。如图 8 为磁场的一种设计方案 ,测量电极为轴向 ,磁场由 2 个相互反置的永磁体产生 ,通过导磁 体结构组合 ,使磁力线沿设计的路线形成回路 ,在导电流体内部得到满足设计的磁场 。

图 8  磁场方案设计图

   根据传感器原理 ,传感器自身设计要求内部磁感应强度高 ,传感器为航天器舱内环境测试设备 ,需要满 足航天器剩磁环境要求 ,不能对周围其他产品产生影响 ,同时不受其他剩磁影响 ,所以传感器需要做良好的 磁屏蔽设计 。
3. 3   弱电压信号检测技术 MHD 传感器一般测量的是高频 ( 1 1 000 Hz)范围的微角振动信息 , 一般角位移量级在微弧度 , 甚至纳

弧度 ,测量输出信号幅值一般为纳伏量级 。简单的放大已经不能满足测量要求 ,需要采用多级放大设计 ,电 路设计需要考虑噪声抑制技术 。电路设计方案可采用变压器放大 、 前级运放放大 ,再通过滤波 、 缓冲方式 ,如 图 9 设计 ,采用变压器设计可以有效降低放大电路噪声 。变压器的电阻 、 前置放大器的电阻 、 带通滤波器的 电阻需要进行匹配设计 ,同时变压器的感抗 、 阻抗是影响传感器频带的主要因素 ,需要与传感器结构进行统 一设计 ,根据测量原理要求传感器初级电阻设计尽可能的小 。前置放大器同时要求 : 1 ) 高输入阻抗 ; 2 ) 高共 模抑制比 ; 3 )低噪声及低温漂 。为降低测量电路的热噪声 ,可以采用混合厚膜电路技术 。

图 9  MHD 角速度传感器信号检测设计原理图

4  应用展望 MHD 角速度传感器是一种惯性器件 ,可以直接与被测对象安装在同一支座上 , 或直接固结安装在被测

对象上 ,可以实时检测和输出被测对象的角振动信息 ,可以广泛应用于卫星平台 、 有效载荷的角振动检测 ,也 可以应用于导弹姿态控制补偿系统 。目前 MHD 角速度传感器在国外已经成功应用近 20 年 ,我国目前在该 技术领域研究还处于起步阶段 。目前 ,随着我国高分辨率遥感 、 高精度指向等卫星平台与应用技术发展 ,以 及今后对深空科学领域的探索研究 ,都需要提高卫星平台及其有效载荷的高精度测量和控制水平 ,对于微角 颤振测量和补偿也提出了需求 ,应加速开展 MHD 角速度传感器的研究 。可以从以下几方面开展研究 : 1 )开展磁流体运动力学原理的研究 ,从理论上分析影响传感器性能的因素 ,优化设计传感器各项参数 ;
2 )对传感器关键技术进行投入 ,开展技术攻关 、 工艺试验和验证 ,这些技术的发展不仅极大加速传感器

120

  真空与低温                     17 卷第 2 期   第

的研制 ,也可促进其他相关应用发展 ; 3 )开展传感器卫星搭载测试验证试验 ,加速应用于卫星平台的可靠性 。
参考文献 :

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(上接第 113 页 )

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