朱華,張春雨,周徐斌,張宗華,顧志悅,呂凱

上海衛(wèi)星工程研究所,上海201109

基于半剛性連接的提高星敏感器指向精度的安裝設計

朱華*,張春雨,周徐斌,張宗華,顧志悅,呂凱

上海衛(wèi)星工程研究所,上海201109

研究和分析了熱變形引起的星敏感器和合成孔徑雷達(SAR)天線的形變特點,設計了一種SAR天線與星體結(jié)構(gòu)之間的安裝方法,并以某衛(wèi)星為例,將兩者半剛性連接(橫向游離),其安裝設計方法在于將SAR天線框架與星體間的螺釘連接橫向剛度減小,使星體的熱變形與SAR天線產(chǎn)生了橫向游離效果。計算分析和試驗表明,這種安裝設計方法有效地提高了星敏感器相對于SAR天線中板陣面的指向精度,可以滿足高分辨率衛(wèi)星成像的需求,為其他有較高指向精度要求的單機安裝提供參考。

星敏感器;指向精度;半剛性連接;計算分析;熱變形試驗

星敏感器是高精度的衛(wèi)星姿態(tài)測量裝置,在衛(wèi)星姿態(tài)測量和控制系統(tǒng)中起著重要的作用,提供航天飛行器相對于慣性坐標系的三軸姿態(tài)[1-3]。合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)天線作為一種主動式微波成像傳感器,通過發(fā)射寬帶信號,結(jié)合合成孔徑技術,能在距離向和方位向上同時獲得二維高分辨率圖像[4-6]。星敏感器相對于SAR天線陣面的指向精度直接決定了衛(wèi)星成像的效果。其精度除主要受星敏感器的測量噪聲和低頻漂移誤差影響外,還與有效載荷的安裝參數(shù)測定誤差、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形等因素有關[7-8]。其中,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形主要是在軌時由太陽輻射、地球輻射反照引起溫度交變的熱變形導致的。SAR天線框架和星敏感器支架都是用碳纖維復合材料制造的,其熱膨脹系數(shù)極低,它們自身產(chǎn)生的熱變形很小。研究分析表明,衛(wèi)星的熱變形主要是由星體變化產(chǎn)生的。文章介紹了一種新的半剛性連接(橫向游離)的安裝方法,通過計算仿真分析和試驗驗證,證明其有效地降低了由熱變形引起的對星敏感器相對SAR天線中板指向精度的影響。

目前,對星敏感器精度的研究主要從姿態(tài)控制、算法改進、信號調(diào)制等方面進行[9-11],通過改變結(jié)構(gòu)連接方法降低熱變形引起的星敏感器精度變化的研究尚處于探索狀態(tài)。國內(nèi)空間熱分析的研究對象多為對空間環(huán)境溫度與型面熱變形敏感的空間結(jié)構(gòu)與星載設備,研究范圍正在不斷擴大,采用的方法多為有限元或有限差分法。與國外不同的是,以前較少應用已有優(yōu)秀CAD/ CAE軟件,通常自己開發(fā)程序,程序沒有通用性,現(xiàn)在這種狀況已經(jīng)有了很大的改善[12-13]。

1 SAR天線和星敏感器的安裝

SAR天線框架是大型結(jié)構(gòu)件,具有一定剛度,為SAR天線內(nèi)部各組件提供構(gòu)型支撐,同時提供外部接口[14]。以某衛(wèi)星為例,SAR天線框架共有三塊,其中SAR天線兩側(cè)框架發(fā)射時收攏在星體兩側(cè),入軌時展開,SAR天線中板框架與星體固定。三個星敏感器通過星敏支架與SAR天線中板框架的邊框連接,與星體無接觸。SAR天線框架、星敏感器與衛(wèi)星之間的安裝關系如圖1所示。

圖1 SAR天線框架和星敏器示意Fig.1 Schematic of SAR antenna frames and star sensors

1.1 星敏感器和SAR天線之間的連接

星敏感器通過星敏支架與SAR天線中板框架連接。由于星敏感器質(zhì)量較大且向星外延伸安裝,可認為其是懸臂梁結(jié)構(gòu)形式。故為了能通過發(fā)射階段的力學考驗,星敏支架與SAR天線中板框架采用剛性連接,采用鏍接加膠接組合方式,這樣發(fā)射時其響應才能在可承受的范圍內(nèi)。星敏支架安裝示意如圖2所示。

圖2 星敏器支架安裝示意Fig.2 Schematic of installation of brackets for star sensor

1.2 SAR天線框架和星體之間的連接

(1)剛性連接方式

SAR天線中板框架與星體通過18個M5螺釘剛性連接的形式相連,這樣充分保證了連接剛度,能夠承受衛(wèi)星發(fā)射階段的力學環(huán)境。螺釘連接的特點是結(jié)構(gòu)簡單可靠,能夠產(chǎn)生自鎖[15]。

圖3所示為SAR天線中板框架與星體普通螺釘剛性連接,星體連接件上原為Φ3配打孔,鉆頭進行配打時極有可能沿著SAR天線框架上的階梯孔下孔壁進行,這樣就使得SAR框架與螺釘完全處于無縫接觸,限制了SAR框架的橫向移動;而采用彈墊和平墊,加強了連接剛度的同時也增加了SAR框架和星體之間的摩擦系數(shù),更限制了其橫向移動。但是衛(wèi)星在軌時星體的熱變形會通過剛性連接全部傳遞到SAR天線和星敏感器上,橫向移動的限制使SAR天線框架自身無法將星體帶來的熱變形消化,造成星敏感器相對SAR天線中板指向精度受到很大的影響,進而大大降低了衛(wèi)星成像效果。

圖3 SAR天線中板框架與星體剛性連接示意Fig.3 Schematic of rigid connection between SAR middle plate and satellite

(2)半剛性連接方法

針對以上剛性連接所帶來的星敏感器相對指向精度偏差較大的問題,在保證一定的連接剛度的同時,將螺釘連接對SAR天線框架橫向約束適當降低,通過同時采取4種措施達到這種目的。1)取消彈墊,減小縱向壓緊力,減小橫向摩擦系數(shù)。2)在平墊和SAR框架接觸面之間鍍潤滑膜(二硫化鉬),增大橫向潤滑作用。3)在SAR天線框架階梯孔上孔中安裝一個限位襯套,使鉆頭配打時鉆孔必然在階梯孔下孔中心位置,螺釘與SAR天線框架的階梯孔下孔孔壁保持一定的間隙。這樣當星體熱變形傳導至SAR天線框架時,其自身能夠通過間隙產(chǎn)生橫向移動將熱變形消化,相當于將星體的熱變形對SAR天線框架橫向的影響進行了游離,同時螺釘處于懸臂狀態(tài),也可吸收一定的熱變形。4)安裝螺釘時按對角線安裝方式,將SAR天線中板對角的兩個螺釘先安裝,保證這兩個螺釘與SAR中板配打時有間隙,再將中板兩側(cè)其余螺釘一一相向安裝,這樣可以保證剩余螺釘與SAR中板有一定間隙。

為區(qū)別剛性連接,將這種橫向剛度降低的方法稱為半剛性連接,圖4所示為SAR天線框架和星體間半剛性連接狀態(tài)。

以下將通過計算分析對比上述兩種連接方式,并對半剛性連接方法進行試驗驗證,來證明第二種連接方法有效地降低了熱變形對星敏感器相對SAR天線中板指向精度的影響。

圖4 SAR天線中板框架與星體半剛性連接示意Fig.4 Schematic of semi-rigid connection between SAR middle plate and satellite

2 熱變形計算分析

2.1 計算分析

衛(wèi)星的星箭連接環(huán)固定約束,初始溫度為20℃。衛(wèi)星的溫度邊界條件設置是通過衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)提供的整星在軌溫度分布,借助于有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN,根據(jù)高溫工況和低溫工況兩種溫度場進行計算仿真。圖5所示為高低溫工況下,整星溫度場分布狀態(tài)。

為了求得星敏感器相對于SAR天線中板指向角度,將星敏感器安裝面的節(jié)點擬合出一個曲面求得其法線。同樣地,將SAR天線中板框架陣面的節(jié)點擬合出一個曲面,并求得其法線。這兩條法線的夾角即指向角度,它們熱變形前后的夾角變化大小即為指向精度。

設星敏安裝面上各節(jié)點原始坐標為xn,yn,zn,熱變形后的坐標為x′n,y′n,z′n,其矩陣表示:

空間平面方程:

式中:C為熱變形后星敏安裝面擬合曲面的法向向量;D為初始面的法向向量。同理可得SAR天線中板框架熱變形后擬合曲面的法向向量為E和初始面的法向向量為F。

圖5 高低溫兩種工況下整星溫度場分布Fig.5 Temperature distribution of satellite under high and low cases

向量夾角:

式中:a為初始狀態(tài)星敏安裝面和SAR天線中板框架陣面法向指向夾角;b為熱變形時兩個法向指向夾角;θ為星敏感器相對SAR天線中板的指向精度,單位為角秒(″)。

2.2 計算結(jié)果

SAR天線框架和星體間按1.2節(jié)中的兩種連接方式進行連接,其中連接采用bush單元,半剛性連接時將X向和Y向(橫向)兩個剛度釋放。高低溫兩種工況下,通過仿真分析可以得到星敏感器和SAR天線中板框架位移形變,如圖6所示。

提取星敏安裝面和SAR天線中板陣面的節(jié)點熱變形前后的坐標,將式(1)～(4)通過Matlab軟件編寫計算程序后代入,計算得出相對指向精度,其計算結(jié)果如表1所示。

圖6 星敏感器和SAR天線中板框架形變Fig.6 Deformation about SAR middle frame and star sensors

從上述位移形變和指向精度的數(shù)據(jù)中可以得出:1)比較不同溫度工況的兩種連接方式,同一臺星敏感器自身的指向精度成正相關的關系。2)采用剛性連接的方式時,高低溫形變的峰峰值(p-p)分別為1.902×10-4mm和5.485×10-4mm;半剛性連接方法時,高低溫p-p分別為0.669×10-4mm和0.98×10-4mm。同種溫度工況下,后者優(yōu)于前者的形變?yōu)?～5倍;3)比較同種溫度工況下同一臺星敏感器指向精度,半剛性連接方法的星敏精度優(yōu)于剛性連接方式2～6倍。

表1 星敏感器指向精度Table 1 Pointing accuracy of star sensors

計算仿真的結(jié)果反映了兩種連接方式對星敏感器相對SAR天線中板指向精度的有效性,采用半剛性連接方法所得的精度計算結(jié)果大大優(yōu)于剛性連接。針對上述結(jié)論,考慮到型號試驗的不可逆性與復雜性,通過SAR天線與星體半剛性連接的熱變形試驗直接驗證仿真計算結(jié)果,以此證明仿真計算值與真實情況基本吻合。

3 熱變形試驗

3.1 試驗工裝及溫度加載工況

為盡可能模擬衛(wèi)星在軌工作時失重的狀態(tài),將星上所有單機拆除,SAR天線展開,通過重力卸載裝置懸掛。為保證試驗的有效性,將星箭連接環(huán)固支并采取隔熱措施,溫度加載區(qū)域包括平臺艙、載荷艙、星敏感器支架和SAR天線陣面等。其中平臺艙、載荷艙和SAR天線陣面采用照射加熱裝置控制,星敏感器支架采用電加熱器控制,整星共布置1000個溫度測量點,SAR天線中板框架與星體連接形式為半剛性連接。熱變形試驗如圖7所示。

采用電子經(jīng)緯儀進行測量,電子經(jīng)緯儀跟蹤架為三軸(垂直軸、水平軸、視準軸)地平裝置。圖8所示為SAR天線陣面測點分布,其中兩臺經(jīng)緯儀對SAR天線陣面上靶標點的坐標值進行測量,三臺經(jīng)緯儀分別對三個星敏安裝面上棱鏡進行測量。

圖7 熱變形試驗Fig.7 Test of thermal deformation

圖8 SAR天線測點分布Fig.8 Measuring points of SAR

3.2 試驗數(shù)據(jù)

(1)熱變形試驗

由于條件限制,沒有降溫環(huán)境,故試驗只模擬升溫過程,且采取拉偏形式進行。同時采集試驗數(shù)據(jù),取三次的平均值。試驗廠房的環(huán)境溫度要求控制在(20±5)°C。

共有三種試驗工況:整星拉偏為(40±5)°C;整星拉偏為(60±5)°C;SAR天線和星敏感器保持在(20±5)°C,星體拉偏為(60±5)°C。將這三種試驗工況進行仿真分析后和試驗數(shù)據(jù)進行對比,其結(jié)果如表2所示。前兩種試驗工況的目的是為了驗證2.2節(jié)中高低溫工況仿真的有效性,第三種試驗工況是為了驗證SAR天線與星體的連接產(chǎn)生是否產(chǎn)生游離作用。

表2 試驗工況與仿真結(jié)果Table 2 Data of test cases and simulation calculation

從試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果中可以得到:1)試驗工況2和3比較,星體產(chǎn)生的熱變形對星敏的指向精度影響很大。2)試驗工況2中星敏1和星敏2的趨勢與仿真結(jié)果趨勢不一致,可能由于靠近星敏感器1和2的半剛性連接實際存在較大的摩擦,導致星體熱變形對SAR天線和星敏感器有較大影響,同時可能存在測量系統(tǒng)誤差等因素;其他試驗工況與仿真結(jié)果的趨勢保持相同,從而驗證了2.2節(jié)中衛(wèi)星兩種連接方式高低溫工況的仿真分析的準確性。3)試驗工況4中,星體的加熱對星敏指向精度基本無影響,說明半剛性連接的方法有助于將星體熱變形進行游離。

(2)力學試驗

為驗證半剛性連接對衛(wèi)星的力學性能的影響,對衛(wèi)星進行振動試驗。整星振動試驗的剛度結(jié)果為:X(橫向)15.21 Hz,Y(橫向)16.41 Hz,Z(縱向)42.56 Hz;預復振橫向頻率漂移在0.11 Hz,縱向漂移在0.62 Hz之內(nèi),振動試驗結(jié)果合理。整星剛度滿足整星橫向12 Hz、縱向35 Hz的指標要求。對SAR天線中板和三個星敏感器處的振動響應數(shù)據(jù)進行讀取,結(jié)果如表3所示。

表3 SAR天線中板和星敏感器最大振動響應值Table 3 Max value of vibration response of SAR antenna and star sensors

從整星的振動試驗結(jié)果和表3中的數(shù)據(jù)可以看出,SAR天線中板和三個星敏感器的振動響應值較小且基本一致,說明半剛性連接的方法可以有效保證SAR天線和星敏感器承受發(fā)射階段的力學環(huán)境。

為進一步觀察半剛性連接的設計方法對星敏感器振動試驗的影響,對SAR天線中板和星敏感器進行振前和振后的精測。同樣地,進行三次精測,取平均值。表4為三個星敏感器的精測結(jié)果。

表4 SAR天線中板和星敏感器振動前后的精度結(jié)果Table 4 Accuracy measurement of SAR antenna and star sensors

從振前振后的SAR天線中板和星敏感器的精測數(shù)據(jù)對比看出,變化量在30″內(nèi),符合指標要求。這進一步說明半剛性連接的剛度滿足星敏安裝的要求,能保證使用精度。

4 結(jié)束語

本文詳細說明了一種衛(wèi)星SAR天線框架和星體連接方法——半剛性連接,與普通的剛性連接相比,前者在保證一定剛度的同時能使衛(wèi)星的星敏感器相對SAR天線中板指向精度提高很多。從計算仿真的數(shù)據(jù)看,前者優(yōu)于后者2～6倍。同時對熱變形進行了試驗,其結(jié)果證明了半剛性連接能有效地對星體熱變形產(chǎn)生游離和抑制效果,也驗證了仿真分析的準確性。最后,通過力學試驗和星敏的精測數(shù)據(jù)可以驗證半剛性連接方法的實用性。這種方法可為其他型號衛(wèi)星上因熱變形引起精度下降的單機提供參考。

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(編輯:高珍)

An installation design of improving pointing accuracy of star sensor based on semi-rigid connection

ZHU Hua*,ZHANG Chunyu,ZHOU Xubin,ZHANG Zonghua,GU Zhiyue,LYU Kai
ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering,Shanghai201109,China

Satellite performance in orbit is impacted by pointing accuracy of star sensor and synthetic aperture radar(SAR)middle plate because of thermal deformation.Characteristics about thermal deformation of star sensor and SAR were studied and analysed,and installation between SAR and satellite body was designed.Taking one satellite as an example,SAR and satellite body were connected with a semi-rigid(horizontal constraint released)method,and the influence of satellite thermal deformation was isolated to SAR with a certain rigidity.As a result,pointing accuracy of star sensor relative SAR middle plate increased,and met the requirement of satellite imaging.This is verified by calculation analysis and test,and can provide reference for other aerospace electronc equipments.

star sensor;pointing accuracy;semi-rigid connection;calculation and analysis; thermal deformation test

V416.1

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0025

2015-12-01;

:2016-01-05;錄用日期2016-02-24;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

時間:2016-04-19 15:39:18

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1539.009.html

國家自然科學基金(51505294)

*

:朱華(1986-),男,工程師,738412291@qq.com,主要研究方向為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與機構(gòu)設計及仿真

朱華,張春雨,周徐斌,等.基于半剛性連接的提高星敏感器指向精度的安裝設計[J].中國空間科學技術,2016,36(2):66-73.ZHUH,ZHANGCY,ZHOUXB,etal.Aninstallationdesignofimprovingpointingaccuracyofstar sensorbasedonsemi-rigidconnection[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):66-73(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn