3.4.2 太阳帆光压力矩调节器设计
姿态控制执行机构包括光压力矩调节器（滑块执行机构）与滚转轴稳定机（RSB）。光压力矩调节器是调节太阳帆航天器质心的有效部件，通过调节太阳帆航天器的质心，进而使质心偏离太阳压心，从而产生太阳帆航天器的姿态控制力矩，主要是控制太阳帆的俯仰角和偏航角。而滚转轴稳定机主要是改变每个帆面的法线方向，控制太阳帆的滚转角。
设计指标要求如下：
（1）光压力矩调节器定位精度0.01 m；
（2）滚转轴稳定机转角定位精度0.3°。
1.光压力矩调节器组成
光压力矩调节器由结构模块、机构模块、控制驱动模块、电源模块4部分组成，光压力矩调节器安装于太阳帆伸展臂外部，沿伸展臂轴向滑动，如图3-27所示。
图3-27 光压力矩调节器组成图
2.光压力矩调节器调节原理
光压力矩调节器通过滑块自身在伸展臂上的移动，改变太阳帆航天器的质量分布，从而改变太阳帆航天器的质心，使质心偏离太阳压心，产生太阳帆航天器的姿态控制力矩，进而达到太阳帆航天器俯仰轴和偏航轴姿态调整的目的，如图3-28所示。
图3-28 光压力矩调节器调节原理图
太阳帆航天器调姿光压力矩调节器电源模块从表面太阳能电池贴片获得能源，控制驱动模块接收动作指令，驱动电机正转或者反转从而带动主动轮转动，主动轮与伸展臂表面发生滑动摩擦沿伸展臂轴向运动，结构模块跟随驱动电机运动，从而带动主从动轮以及辅助从动轮转动，如图3-29所示。并且主从动轮通过预紧调节系统保证滑块始终与伸展臂适当紧密夹紧，不会发生旋转打滑，辅助从动轮也同时保证滑块始终与伸展臂适当紧密夹紧，不会发生旋转打滑与前倾或者后倾。
图3-29 光压力矩调节器工作原理
3.光压力矩调节器设计参数仿真计算
数量设计：针对四方形帆体设计的太阳帆，光压力矩调节器在其伸展臂上滑动以控制太阳帆俯仰轴和偏航轴的姿态，存在2个或4个两种方案。若数量为2个，则要求伸展臂中心贯通，允许光压力矩调节器从中心穿行；若数量为4个，以俯仰轴为例，太阳帆总重200 kg，每个光压力矩调节器重2 kg，光压力为0.16 N，滑块极限位置100 m，根据力矩公式
计算得到俯仰轴控制力矩为0.156 8 N·m；同样条件下，若光压力矩调节器数量为2个，其俯仰轴控制力矩为0.158 4 N·m。可见，当数量为2时，不仅控制力矩比前者稍大，而且还减轻了2个光压力矩调节器以及相应的驱动机构，控制律也简单。故将光压力矩调节器数量确定为2个。
质量设计：根据上式可知，令单个光压力矩调节器质量在0～10 kg之间变化。在这个区间中，控制力矩随滑块质量增大而增大，控制力矩也很小，在0.1 N·m量级内。依据任务对姿态以及姿态控制精度的要求，如果约束执行机构的最大速度：RSB≤10°／s，滑块≤0.5 m／s，根据控制力矩可以算出滑块最小质量为1.05 kg，考虑留一定余量，选取每个光压力矩调节器为1.5 kg。
光压力矩调节器极限位置设计：每根伸展臂长度为113 m，考虑到末端安装RSB等结构，所以约束滑块的极限位置为100 m。
光压力矩调节器极限速度设计：依据总体分配给控制与推进系统20 W功率指标分配份额，其中敏感器8 W，每个RSB电机2.5 W，每个光压力矩调节器1 W。经过初步估算，滑块驱动机构正压力Fn为5 N，静摩擦系数μ为0.4，则驱动力F＝μFn＝0.4×5＝2 N。根据功率公式可以得出滑块的极限速度为0.5 m／s。
针对160 m太阳帆，其姿态控制系统中的光压力矩调节器设计参数如表3-10所示。
表3-10 160 m太阳帆光压力矩调节器设计参数表
4.结构模块设计
结构模块由中心箱体及其他各个模块安装支架组成。中心箱体由8块箱体侧板、太阳能电池贴片组成，其中上顶板内部有1个带螺纹孔的凸台；伸展臂可以从前后面的侧板方孔中穿过；在左右侧板内侧各有1个带有长条形缝隙的限位结构，双Ω截面形状的伸展臂的突出边缘可以插入长条形缝隙中，此种设计为光压力矩调节器提供沿伸展臂截面转动的限位，以防止光压力矩调节器在伸展臂上前后滑动时绕伸展臂轴向转动从而影响其定位精度，如图3-30所示。
图3-30 光压力矩调节器中心箱体限位图
中心箱体8块箱体侧板组成一个外部框架，将其他分系统组成一个整体，起到承力主框架与安装接口作用；8块箱体侧板中上下左右4块侧板可以用来安装太阳能电池贴片，用于对整个系统供电供能，针对实际的不同任务约束条件，还可以在左右侧板上安装小型太阳能帆板，以满足更大功率需求的光压力矩调节器。
5.机构模块设计
机构模块由预紧调节机构、主从动轮机构和可调辅助从动轮机构组成，如图3-31所示。
图3-31 光压力矩调节器机构模块图
预紧调节机构由预紧螺杆、锁定螺母、可调电机底座三部分组成。其中预紧螺杆穿过箱体上顶板以及带螺纹孔凸台，与其配合，凸台增长了配合长度，保证预紧螺杆牢固安装。预紧螺杆通过螺纹配合可以上下调节高度，在预紧螺杆底部钻有销孔，可调电机底座上端面带有销轴，可以插入预紧螺杆底部的销孔中，轴孔间隙配合。主从动轮机构由凸起滚轮、支架、阶梯轴、锁紧螺钉、聚四氟滑环、垫片、锁紧螺母组成。支架固定在箱体底板上，阶梯轴通过锁紧螺钉固定在支架上，凸起滚轮安装于两侧的两片聚四氟滑环之间，聚四氟表面光滑，有利于凸起滚轮绕阶梯轴转动，锁紧螺母调整凸起滚轮与聚四氟滑环之间的压紧力，垫片保护聚四氟滑环表面免受锁紧螺母划伤。
6.控制驱动模块设计
控制驱动模块由远程控制计算机及控制软件、无线信号发射器、控制板及无线信号接收器、步进电机驱动器、步进电机、主动轮机构组成。控制驱动模块工作原理如图3-32所示。
图3-32 光压力矩调节器控制驱动原理图
光压力矩调节器采用无线远程控制驱动方式。光压力矩调节器本体上安装有控制板；控制板上装有无线信号接收器；远程控制计算机上安装有控制软件与无线信号发射器；控制板分别与步进电机和步进电机驱动器连接；太阳能电池系统分别与控制板和步进电机连接。根据初步估算，光压力矩调节器正压力合力为5 N，滑块极限速度为0.5 m／s，滚轮与伸展臂静摩擦系数μ为0.4，则驱动力F＝μN＝0.4×5＝2 N。根据功率公式，得出所需电机提供工作功率为1 W。根据太阳能电池贴片功率计算结果，表明太阳能电池贴片所提供电能可以满足滑块工作要求。
控制驱动设计可以针对光压力矩调节器在运行中突发停滞故障模式进行相应的处理调节。光压力矩调节器在运行中因为各种原因，如瞬态阻力矩过大而运动卡死、无线信号传输接收瞬间间断等而出现故障时，在控制软件上会出现相应的故障提示信息，同时软件自动进行停止指令，使步进电机停止工作，继而整套系统全面关闭进行系统重启，软件自行对各项指标进行检查后，将步进电机的最小转速步长作为输入参数再次对步进电机进行启动控制，以获得最大转动扭矩，从而使光压力矩调节器在故障点重启开动。