李慶林 魏鑫 張鳳芹

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星在軌運(yùn)行時，安裝空間遙感相機(jī)的衛(wèi)星艙板溫度變化較大，由溫度變化引起的熱應(yīng)力會影響空間遙感相機(jī)的在軌成像品質(zhì)[1]。因此，研制一種連接空間遙感相機(jī)與衛(wèi)星的柔性裝置釋放溫度變化帶來的應(yīng)力對提高成像品質(zhì)有重要意義。

空間遙感相機(jī)與衛(wèi)星常用的連接方式是三點(diǎn)靜定支撐卸載方式[2]。該方式利用三點(diǎn)支撐，通過分配自由度實(shí)現(xiàn)靜定支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)空間遙感相機(jī)與衛(wèi)星的卸載安裝。但該結(jié)構(gòu)支撐剛度較差，很難滿足空間遙感相機(jī)裝星的剛度要求，往往需要增加輔助支撐提高剛度，在軌通過解鎖機(jī)構(gòu)解除多余的自由度約束，可靠性低，結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大。目前，文獻(xiàn)[3]提出了在連接處設(shè)置一定厚度的橡膠環(huán)，相當(dāng)于在兩個剛形體之間加入了軟彈簧，有效地減小了外部干擾源的振動對成像品質(zhì)的影響；文獻(xiàn)[4]提出了采用軸承支撐元件釋放指定約束點(diǎn)的線位移，達(dá)到釋放熱應(yīng)力的目的。本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的釋放熱應(yīng)力的方法，該方法利用柔性鉸鏈的原理在空間遙感相機(jī)與衛(wèi)星連接處根據(jù)計(jì)算的角度設(shè)置不同方向的柔性片，不僅將衛(wèi)星大底板的熱變形卸載掉，同時又能夠保證足夠的支撐剛度，解決了衛(wèi)星底板的熱變形對空間遙感相機(jī)成像品質(zhì)產(chǎn)生的影響。

1 空間遙感相機(jī)柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 柔性支撐結(jié)構(gòu)原理

本文柔性卸載結(jié)構(gòu)是利用柔性鉸鏈原理[5-6]進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。柔性鉸鏈能夠提供豎直方向、沿柔性片方向的剛度，在該方向上具有一定程度的位移卸載能力。這樣通過與衛(wèi)星連接的四個安裝腳處合理選擇自由度釋放方向，就能夠?qū)崿F(xiàn)保證一定支撐剛度的前提下卸載掉衛(wèi)星載荷艙頂部構(gòu)架熱變形引起的熱應(yīng)力[7]。

圖1 本文設(shè)計(jì)的柔性結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Diagram of the flexible structure

在空間遙感相機(jī)與衛(wèi)星相連接的四個柔性支撐結(jié)構(gòu)中，一個安裝腳采用固定約束，另外三個安裝腳根據(jù)空間遙感相機(jī)構(gòu)型設(shè)置不同方向的柔性鉸鏈，實(shí)現(xiàn)空間遙感相機(jī)相對于衛(wèi)星的準(zhǔn)靜定支撐方式和對衛(wèi)星艙板熱變形的卸載。如圖2所示的安裝位置，A處為固支點(diǎn)，其余三處根據(jù)不同約束情況設(shè)計(jì)了不同的柔性支撐結(jié)構(gòu)[8-9]。A處的柔性支撐結(jié)構(gòu)采用十字交叉方向放置柔性片，B和D處的柔性支撐結(jié)構(gòu)采用與安裝點(diǎn)連線垂直方向放置柔性片，C處的柔性支撐結(jié)構(gòu)采用與安裝點(diǎn)對角線垂直方向放置柔性片，圖中箭頭所示為各柔性裝置卸載熱應(yīng)力的方向。

圖2 空間遙感相機(jī)四個安裝腳卸載方向示意Fig.2 Diagram of unloading structure on four feet of space remote sensing camera

1.2 柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮柔性片的厚度、高度以及角度等因素[10-11]。主要從下面兩點(diǎn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：

1）自由度釋放方向的確定，利用有限元仿真分析手段確定每個支撐結(jié)構(gòu)的最佳自由度釋放方向，判據(jù)是反射鏡角度變化最小；

2）柔性支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化柔性片的數(shù)量、高度、厚度等參數(shù)，目標(biāo)是在對空間遙感相機(jī)裝星剛度減小最小的條件下最大限度地釋放衛(wèi)星底板的熱變形。

根據(jù)以上兩方面的分析，柔性支撐結(jié)構(gòu)的柔性片的高度范圍為10～40mm，厚度范圍為0.5～3mm。結(jié)合某型號空間遙感相機(jī)實(shí)際情況選取柔性片的高度為20mm，固支點(diǎn)處采用十字交叉方向放置柔性片，其余安裝位置采用三片柔性片結(jié)構(gòu)，柔性片的放置角度有兩種形式[12]，其中一種柔性片角度為90°放置，另一種柔性片角度為60°放置，具體模型見圖3所示。

圖3 柔性結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Diagram of the flexible structure

2 柔性片結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

在確定了柔性支撐結(jié)構(gòu)的高度和柔性片數(shù)量后，利用Patran/Nastran有限元分析軟件對柔性片的厚度及選材進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析。選取了厚度分別為1.0、1.5、2.5、3.0 mm，材料分別為鈦合金和鋁合金共八種組合方案，從熱變形和空間相機(jī)整機(jī)模態(tài)兩方面進(jìn)行了優(yōu)選，優(yōu)選目標(biāo)是衛(wèi)星對空間遙感相機(jī)的要求，一階模態(tài)大于100Hz，反射鏡變化小于10″[13]。

2.1 熱變形分析

衛(wèi)星艙板一般溫度控制范圍在0～25℃之間，空間遙感相機(jī)一般溫度控制范圍在18～22℃之間，熱變形分析采用的工況設(shè)置為空間遙感相機(jī)溫度為20℃，衛(wèi)星艙板溫度波動5℃?？臻g遙感相機(jī)以三反離軸式光學(xué)系統(tǒng)為研究對象，該光學(xué)系統(tǒng)由三塊反射鏡組成，分析在衛(wèi)星溫度變化 5℃時引起的結(jié)構(gòu)變形對空間遙感相機(jī)中三塊反射鏡角度變化情況[14-15]，以三塊反射鏡角度變化值來衡量柔性卸載結(jié)構(gòu)的性能，角度變化越小，柔性卸載結(jié)構(gòu)性能越高。仿真分析時，統(tǒng)計(jì)三塊反射鏡在衛(wèi)星艙板溫度變化 5℃前后，其背部平面相對自身的偏轉(zhuǎn)角度，見表1所示。

表1 柔性結(jié)構(gòu)熱卸載能力分析結(jié)果表Tab. 1 Analysis results of the thermal unloading of the flexible structure

分析結(jié)果顯示，鋁合金材料比鈦合金材料卸載性能高，同種材料下隨著柔性片厚度的增加卸載性能降低，在這八種方案中，鋁合金材料1mm厚的結(jié)構(gòu)形式卸載性能最高。

2.2 模態(tài)分析

柔性支撐結(jié)構(gòu)性能越高，剛度越差，為保證空間遙感相機(jī)順利通過火箭發(fā)射段的振動，需綜合考慮柔性結(jié)構(gòu)的柔性和剛度。柔性支撐結(jié)構(gòu)的剛度以其模態(tài)進(jìn)行考核，進(jìn)行模態(tài)分析時，將柔性支撐結(jié)構(gòu)與某型號空間遙感相機(jī)相連，約束柔性支撐結(jié)構(gòu)上與衛(wèi)星連接面中間的圓孔。八種方案下柔性結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真結(jié)果如表2所示。

表2 柔性結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果表Tab.2 Results of the modal analysis of the flexible structure

分析結(jié)果顯示，鋁合金材料的模態(tài)頻率低于鈦合金材料，同種材料下隨著柔性片厚度的增加模態(tài)頻率增高，八種方案中鈦合金材料3.0mm厚結(jié)構(gòu)形式的模態(tài)頻率最高。

2.3 優(yōu)化分析總結(jié)

根據(jù)優(yōu)選目標(biāo)，鈦合金材料中1.5、2.5mm和鋁合金材料中3.0mm的柔性支撐結(jié)構(gòu)能滿足要求，鈦合金材料1.5mm厚的柔性支撐結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的綜合性能。

3 空間遙感相機(jī)柔性支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

將柔性支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某型號空間遙感相機(jī)，該空間遙感相機(jī)的外形尺寸為750mm（長）×500mm（寬）×700mm（高）[16]。圖4為四個柔性支撐結(jié)構(gòu)安裝位置，其中A點(diǎn)位置為十字交叉結(jié)構(gòu)形式，B點(diǎn)和D點(diǎn)位置為90°結(jié)構(gòu)形式，C點(diǎn)位置為60°結(jié)構(gòu)形式。

3.1 力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)

力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)包括正弦振動試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中在相機(jī)關(guān)鍵部位粘貼了四個測點(diǎn)，分別位于反射鏡一（測點(diǎn)1）、反射鏡二（測點(diǎn)2）、反射鏡三（測點(diǎn)3）和焦面組件（測點(diǎn)4）。通過試驗(yàn)測出空間遙感相機(jī)的一階固有頻率為112Hz，二階固有頻率為167Hz，三階固有頻率為263Hz，其隨機(jī)振動試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖4 空間遙感相機(jī)與柔性結(jié)構(gòu)連接示意Fig.4 Diagram of connection between space remote sensing camera and flexible structure

表3 隨機(jī)振動試驗(yàn)中各測點(diǎn)放大倍數(shù)Tab.3 Magnification of measured points in random vibration test

根據(jù)空間遙感相機(jī)主振固有頻率試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出一階頻率大于100Hz，能夠滿足該空間遙感相機(jī)發(fā)射要求；根據(jù)表3隨機(jī)振動試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的響應(yīng)放大倍數(shù)，將其最大的放大倍數(shù)轉(zhuǎn)化成靜力學(xué)進(jìn)行空間相機(jī)關(guān)鍵部位的強(qiáng)度校核，通過強(qiáng)度計(jì)算校核，空間遙感相機(jī)關(guān)鍵部位材料的強(qiáng)度具有5倍以上的裕度，能夠滿足該力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)的要求。

3.2 真空環(huán)境模擬熱試驗(yàn)

真空熱試驗(yàn)利用真空罐來模擬空間遙感相機(jī)在軌的環(huán)境，其中空間遙感相機(jī)外界太陽光照射等環(huán)境通過外熱流進(jìn)行模擬，外熱流包含高溫穩(wěn)態(tài)、高溫瞬態(tài)、低溫穩(wěn)態(tài)和低溫瞬態(tài)四種狀態(tài)，對空間遙感相機(jī)進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)和溫度拉偏試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目。

真空環(huán)境模擬試驗(yàn)以相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來衡量柔性卸載結(jié)構(gòu)的性能，空間遙感相機(jī)在試驗(yàn)中各個工況下進(jìn)行了相機(jī)MTF測試，各工況下MTF值均大于0.3，不同工況下MTF變化值小于0.02，能滿足相機(jī)成像指標(biāo)要求，并具有較好的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果說明空間遙感相機(jī)采用柔性支撐結(jié)構(gòu)起到了較好的熱變形卸載效果，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)束語

通過對空間遙感相機(jī)裝星自由度釋放裝置的計(jì)算機(jī)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出該裝置方案可以滿足空間遙感相機(jī)與衛(wèi)星的連接要求，裝星連接方式靈活，適用于各種結(jié)構(gòu)形式的空間遙感相機(jī)裝星，為空間遙感相機(jī)與衛(wèi)星連接提供了一種新的裝配方式。

該裝置與現(xiàn)有裝星方式相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）分布在不同位置的柔性支撐結(jié)構(gòu)分別布置了不同方向的柔性片，充分考慮到多角度自由度釋放的方向，可以有效的卸載衛(wèi)星大底板由于溫度變化而產(chǎn)生的熱變形載荷；

2）柔性片的數(shù)量、高度以及厚度可以根據(jù)空間遙感相機(jī)的情況適當(dāng)調(diào)節(jié)，以保證空間遙感相機(jī)具有足夠的剛度，同時使基頻滿足總體要求；

3）柔性支撐結(jié)構(gòu)件接觸面小，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，具有良好的加工性。

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