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赫歇尔光电探测器阵列用低温滤波轮的研制相机和光谱仪(PACS)

克里斯汀克尔讷,波格力奇，约瑟夫.舒伯特，鲁珀特和M.xSchoele

摘要：本文介绍了在赫歇尔卫星的PACS焦平面单元内运行在5K以下的两个PACS滤波轮。该机制的目的是在滤波器之间进行切换。旋转轴通过一对轻微预加载的滚珠轴承旋转到支撑结构上，并由一个冷冻机[1]驱动。位置传感是由一对霍尔效应传感器实现的。在过滤轮位置的动力定位是通过磁性棘轮系统实现的。关键技术是低温器设计和低温范围内的磁棘轮设计。此外，我们还将报告在该机制和涂料的开发和鉴定过程中所吸取经验和教训。

1 介绍及要求

赫歇尔是欧洲航天局的基石任务，研究恒星和星系的演化和起源。赫歇尔望远镜的焦平面上装有三种低温仪器：HIFI、尖塔和PACS。巨大的红外空间天文台于2009年5月14日在阿丽亚娜5号上发射，并成功地在L2号轨道上运行，直到2013年4月底，低温恒温器耗尽了液氦冷却剂。PACS仪器可以作为成像光度计可在57-210um的光谱带上的积分场光谱仪运行。在PACS仪器内部，有几个机制被容纳：一个斩波器在天空视野和内部校准源之间切换，一个光栅驱动器扫描通过光谱波段，和两个滤波轮选择光谱波段进行观测，这是本文的主题。过滤轮的主要要求列于表1中。

表1 过滤轮的主要要求

2 功能调节

为了减少滑动、滚动或弯曲部件的数量，由于机械和光学包络线的原因，我们选择了一个带有旋转圆锥体支撑滤波器的旋转系统。轴承被容纳在旋转质量的重心周围。过滤轮驱动的转子作为过滤轮和过滤器质量的配重。为了保持车轮组件的紧凑性，位置传感器和磁性棘轮系统与下轴承一起容纳在一个平面上。过滤轮驱动由柏林大学提供，由一个两部分转子组成，线圈两侧装有两组永磁铁，定子位于转子磁铁之间，承载绕组（见图6）。

图1 过滤轮配置

3 轴承系统

轴承位于滤清器和电机转子之间。这允许可移动部件的平衡加权配置。具有所有旋转部件（冷冻转子、轮锥、过滤器轴等）的过滤轮的质量为lt;600g。最大准静态加速度（由仪器有限元法得出）为26g。为了避免轴承的间隙，必须施加126N的预载荷。但是，由于车轮应优化为低功耗（每开关50mWs），预载荷减小到最小值，轴承中更高的放大和摩擦（振动期间）。由更高的负载能力考虑，所选轴承配置为两个GRWSS6900ZC10/15GPR1J滚珠轴承的O形配置。

图2 金润滑GRWSS6900ZC10/15GPR-1J滚珠轴承

每个轴承都具有1130-N的静载荷能力，考虑到轴承由于摩擦而增加了阻尼，这一点是被认为足够的（假设2%的阻尼）。低温迫使人们选择固体膜润滑剂。为了避免对水分的敏感性，我们选择了黄金。金润滑显示出与温度和湿度无关的行为，由于转数较低，因此可适用于该应用。

轴向配合：为了保持预载荷在300K的温度范围内恒定，轴承和距离环（调整预载荷）必须由相同的材料制成（或至少具有相同CTE的材料）。这些距离环用精密垫片进行垫片，以调整摩擦扭矩低于5mN-m。

径向配合：外壳材料以及PACS结构和镜面的所有其他部分都由铝AA6061制成，以便有一个可以在293K对准，并在4K工作的仪器下运行。因此，轴承直径的安装必须考虑在290K和4K之间的不锈钢和铝之间的相对收缩。收缩率可近似为一个五阶多项式方程。

因此，滚珠轴承壳的配合直径要大于26mu;m，用来补偿收缩。

4 定位装置

为确保过滤器位置的无力定位，过滤轮配备有磁性位置装置。磁性位置装置（90°）的装置如图3所示。

图3 锁定系统示意图

根据设计，过滤轮达到平衡状态。因此，在重力作用下，由于偏心或残余磁场造成的反向驱动力矩，只有极低的力矩(lt;1mN-m)。在太空中，几乎根本没有倒退的时刻。轴承摩擦不能假定为无力定位装置。因此，实现了一种磁性棘轮系统。执行器的扭矩与电流呈线性关系，但欧姆功耗与电流的第二功率一致。因此，棘轮转矩被设置成一个较低水平（10mN-m，这大约是最大摩擦力的两倍）。该值增加了自动定心功能（没有ECSS余量）。现实的解决方案是一组3个SmCo磁体串联，其中中间的一个安装在转子上。这种配置以90°的模式重复进行。为了达到所要求的扭矩，我们选择了直径为1.5毫米、长度为3毫米的SmCo磁体进行。

5 位置传感器

为了保持系统中的低损耗，提高可靠性，我们采用了这种非接触式技术实现了位置传感器。位置传感器由霍尔效应传感器执行，用来检测安装在转子上的磁铁上的磁场。

图4 解码器系统原理图

传感器的选择是基于以下参数：工作温度范围、低耗散度和线性度。为了在4.2K的温度范围内工作，我们选择了英飞凌离子植入砷化镓霍尔发生器KSY10。霍尔电流设置为7mA到0.75mA，使霍尔电压从200mV降低到~20mV。这足以在10弧精度上更高的检测该位置

在仪器水平，但同时减少了10倍的功耗。在180°开关在4.2K时的耗散功率为：0.

850mWs*2（标称位置）*5秒（开关时间）=8.5mWs。

对于这种应用，SmCo磁体从位置装置(直径。1.5mm*3mm)被重复使用。注意：对于实际的90°棘轮系统（双磁铁），扭矩必须加倍。

图5 一个180°磁性棘轮系统的霍尔传感器信号的绝对值和恢复转矩

6 执行机构

在这个应用中，电机尺寸的驱动参数不是机动化（在空间机构中通常如此），而是功率散热，因为任务的寿命依赖于低温恒温器内部的耗散。一般情况下，当电机效率高，摩擦最小，电机惯性和驱动惯性近似相等时，耗散最小。过滤轮旋转部件的惯性为0.1g-msup2;；这符合柏林大学(C84)开发的冷冻器** 其惯性为0.12g-msup2;。这种低温器在低温下缓慢旋转扭矩应用也具有很高的效率。此外，这个低温探测器还继承来自几个低温空间项目。因此，我们选择了这个冷冻器。由柏林联邦大学开发的煎饼形电子交换转矩电机C84如图6所示。

转子由线圈（定子）两侧的交替SmCo磁铁组成，允许在不降低性能的情况下产生相当高的气隙(0.5mm)。磁性环是通过用良好的渗透性材料制成的低温磁轭环来封闭的。定子由两个冗余线圈封装组成，每个封装由一组线圈和第二组线圈组成。在正常运行中，每个相位的两个线圈组相互连接。每个相位的电流由电子控制单元的相应电源提供。

图6 柏林联邦大学开发的冷冻机C84的横截面示意图

图7 两相线圈组的位置，表明两组的15°角偏移量以及这两个阶段的当前向量的一个例子。

电机在250mA时的扭矩能力为142N-mm。摩擦装置需要的最大扭矩为5mN-m，定位装置为10mN-m。

7 涂层的开发

为了达到减少的杂散光要求，必须开发一种新的涂层，因为商业上没有可用的涂层可以显著减少57到200mu;m的杂散光。因此，KT开发了一种涂层(KT-72)，它确实对减少杂散光非常有效，但同时对其机制有一定的风险。

为了合理的减少杂散，黑色涂料在涂层中的光路的影响必须是波长的数量级或更高。因此，PACS仪器内部的油漆厚度设置在400-500mu;m之间，远离标准油漆的厚度。此外，涂层包括玻璃珠，以改变光路进入涂层平面的方向。

图8 切割一个KT-72样本

在涂层的开发过程中，两个效应推动了开发，材料的CTE和空气动力学结构。油漆（~40e-6）/玻璃（6-）和铝（14）（外壳）的CTE温度和400K（烘烤）至4K的温度梯度导致油漆以及涂层和基材之间的高应力，这是在可行性的极限。因此，必须优化不同层之间的连接。一个主要参数是时间。随时间变化的氧化和层之间的污染避免了完美的附着力。阿丁是一种很好的涂层表面。但对于我们的涂层来说，只有在使用阿洛丁后48小时内使用涂层就足够了。在这段时间之后，表面的重新活化变得十分必要了。

第一次测试是用平面样品进行的。但这被证明是不够的，因为部件的空气动力学结构对大颗粒和重颗粒以及油漆mu;粒子之间的分布有影响。因此，结果随几何设置的不同而变化。该仪器的复杂设置不允许涂层应用的平面配置。因此，KT并没有改变污染源，而是改变了影响。“形状不好”和含有松散颗粒的表面被传统的电动牙刷“刷”。所有的零件都用洁净室的真空吸尘器清洗过。

8 测试结果

柏林联邦大学进行了以下开发测试：

-4.2K下的振动试验（正弦搜索、正弦、随机）。

-振动试验后在4.2K下的功能和性能测试。

在4.2K的测试中，过滤轮被放置在一个密封的容器中。

图9 密封振动适配器PACSFW

图10显示了振动试验前后的试验结果。

图10 振动前两个多余线圈的电流（绕组1 2）和转矩

过滤轮的功能测试显示出非常平稳的旋转，平均扭矩为1.8mN-m。高峰值（plusmn;12mN-m）是由于磁性棘轮系统引起的。

图11 振动试验后的扭矩

图11中的第一个图显示了在4.2K条件下，在5-2000Hz之间的0.5g正弦搜索后的扭矩。扭矩增加到4mN-m，波动为1mN-m。图11中的第二个图显示了在最大加速度为19.8g时的5到100Hz之间的全正弦振动后的扭矩。略有下降到3.8mN-m，波动为1mN-m。随机振动后的扭矩，7.3gRMSgt;降低平均扭矩，但波动为1.5mN-m。在4K（40000个启动停止循环）下的寿命试验显示，扭矩没有增加。

在飞行备用仪表的地面测试期间，过滤轮机构发生故障。虽然这种故障（夹紧）可以解释为超过了制造公差，并通过摆幅来恢复，但仍在仪器水平上决定增加电机电流，可以在轨运行获得更高的安全裕度。

9 飞行数据

在整个任务中（4年轨道和2年地面）没有发生失败。整个在轨寿命的温度稳定在2.92k。车轮以70mA的恒定电流正弦驱动，为标称绕组产生56mN-m的扭矩，该值被认为是克服轴承摩擦的必要和充分条件。

光度计滤光轮执行6000次旋转光谱计滤光轮3000次。我们收到的用于评估的飞行数据是来自BOL（2009）和EOL（20013）的光谱仪滤波器车轮数据，如下所示。

图12 飞行过程中标称线圈的电流和波纹

电机霍尔传感器的磁场读数显示，BOL和EOL之间的运动平稳，没有明显变化。由于过滤轮运行不明显，只有很少的高速数据记录的车轮。

图13 调试过程中电机霍尔传感器的信号

-15000

-10000

-5000

2009_HALLB[原始]

39

.8

34 34 35 35 36 36 37 37 38 38 39

.3 .8 .3 .8 .3 .8 .3 .8 .3 .8 .3

0

2009_HALLA[原始]

5000

10000

15000

棘轮系统

加快

图14 在使用寿命结束时，电机霍尔传感器的信号

-15000

-10000

-5000

2013_HALLB[原始]

33

.7

28 28 29 29 30 30 31 31 32 32 33

.2 .7 .2 .7 .2 .7 .2 .7 .2 .7 .2

0

2013_HALLA[原始]

5000

10000

15000

棘轮系统

加快

10 结论和经验教训

PACS过滤轮的发展是成功的，两种飞行模型在赫歇尔计划中表现良好。已经存在和证明的低温器的使用简化了发展。此外，非接触式棘轮系统

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