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无法想象的超高精度!Faulhaber微驱动助力探测太空世界的未解之谜

供稿:福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司

为什么距离太阳100万公里远的地方却比太阳表面的温度还要高?迄今为止,这个看似简单的天文学问题仍然没有确切的答案。而能够为我们解开这一谜团的是两个卫星,它们从2017年起已进入轨道运行,其偏差精度可达到微米级别。

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其中,一颗卫星用于挡住太阳,这样另一颗卫星就能在不受干扰的情况下观察热日冕。为了在卫星表面安装精密的测量仪器,欧洲航天局(ESA)的工程师们采用一个六足机器人。该支架由法国南法高科技公司SYMETRIE研制,并通过FAULHABER的电机进行驱动。

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Symétrie公司的Breva六足机器人

在日食期间,人们可以通过肉眼在黑暗的太阳周围看到一个光环(日冕)。它几乎完全由电离等离子体组成,它可也延伸到太空中,最远可以达到三个太阳的半径,其温度为几百万开尔文,非常热,相比之下,太阳表面5778开尔文的温度似乎显得很冷。导致这种巨大差异的原因还需要通过精确的研究才能找到答案。

在地球上,其大部分太阳辐射都被表面的大气层吸收,但在太空中,这一观测遇到了技术瓶颈:必须挡住太阳表面,盖住日冕,以避免照射过强。然而,以目前的科技水平来看,日冕靠近太阳的部分也会被隐藏。


带内置编码器的无刷直流微电机

实现快速、可靠和精确定位


出于这个原因,欧空局计划在2017年StarTiger项目中发射两颗卫星,并以非常独特的队形行驶,它们以彼此仅150米的距离绕地球飞行,对于每秒数公里的飞行速度,这个距离类似一根头发的宽度,微乎其微。其中,一颗卫星的防护罩会遮住太阳,这使得另一颗卫星表面的测量仪器可在前所未有的程度和范围内观察日冕辐射。

为了对两颗卫星及其所载的仪器进行最佳调整,欧空局的工程师们在法国马赛的天体物理实验室内模拟了太空飞行的条件。一台日冕仪被安装在SYMETRIE公司制造的Breva六足机器人上,用于捕获位于阴影中的卫星上的日冕辐射。其每个支脚内都安装了一个带内置编码器的无刷直流微电机。这样,安装在支脚上的平台能通过伸缩腿,实现任意方向的自由调整。

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FAULHABER驱动装置结构紧凑,具有出色的动态特性和功率密度,再加上高分辨率编码器,即使是驱动较大装置,也能实现快速、可靠和精确的定位。


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Faulhaber直流微电机


微驱动助力哈勃望远镜“继任者”实现无法想象的超高精度

得益于这种自由运动的特性,欧空局的工程师可以模拟“飞行器”相互之间的位置。正如SYMETRIE总裁Olivier Lapierre解释的那样,六足机器人具有一系列突出特性,是未来太空任务的理想选择:“它能以最小的公差精确实现所需的最小运动,同时具有非常高的刚性,可以精确维持在指定位置上。”该产品的另一大优势是具有完善的软件系统,可确保各组件之间协调工作,比如它能指定任意一个虚拟平台的转动点,以实现流畅的运动。

Breva和Bora两种型号的六足机器人应用的仪器仪表、 光学系统、测试实验室、航空航天、 测量技术、 同步加速器。

SYMETRIE六足机器人的优异特性也已用于其他太空项目,例如在2018年取代赫赫有名的哈勃望远镜的James-Webb太空望远镜,以及用于绘制银河地图的GAIA项目。在这些项目中,可以使用六足机器人来安装光学单元。

“比如,六足机器人能以亚微米的精度将反射镜固定在所需位置。”Lapierre解释了其典型的应用实例。和StarTiger项目一样,六足机器人能在这些项目中实现无法想象的超高精度:韦伯太空望远镜在理论上是能够探测到木星的一颗卫星上的一线微小烛光。


用户评价:在紧凑性和质量方面是市场上的理想产品

然而,用于GAIA项目的六足机器人最初并不是为天文学应用而开发的,其最初目的是为了观察极小的物体。它最初是用于法国Grenoble的欧洲同步辐射装置研究所的合作项目。法国阿尔卑斯山的同步加速器可将电子加速到几近光速,然后使其发生碰撞,并产生世界上最强的X射线。

其功率是医用X射线的一万倍,但与人的头发一样细。人们通过这些射线对各种样本和材料进行研究,包括半导体晶格到活细胞内的分子运动等。“用于ESRF的六足机器人可将定向反射镜和样本移到指定位置,并通过其出色的稳定性精确始终保持原位。”Olivier Lapierre解释道。

无论是用于观察浩瀚的宇宙,还是分子水平的精细结构,六足机器人都必须满足相同的要求:最大的灵活性、最高的稳定性和精度。当然,根据不同的应用,可能还有其他要求。欧空局和ESRF的很多操作都是在真空或洁净室条件下进行的,使用的设备也是如此。很多时候,操作的空间也非常狭小,这时就需要使用微型六足机器人。

针对狭小的空间,其理想的定位解决方案是更小的BORA型(同为BREVA系列)六足机器人。其支承面直径是212毫米,高度仅为145毫米。虽然尺寸非常小,但却能移动重达10公斤的负荷,在方向轴和旋转轴上的分辨率分别达到0.1微米和2微弧度。

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标准的更小型Bora六足机器人


“FAULHABER电机在我们的六足机器人中起着关键的作用,” Olivier Lapierre解释道,“如果综合考虑紧凑性和质量这两个方面,那么它是市场上最好的产品。”

发布时间:2021年11月11日 16:52 人气: 审核编辑:黄莉

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