王躍李世其張錦龍高有道劉川
(1 北京空間機電研究所,北京 100094)
(2 華中科技大學(xué),武漢 430074)
地球靜止軌道遙感相機一體化設(shè)計
王躍1,2李世其2張錦龍1高有道1劉川1
(1 北京空間機電研究所,北京 100094)
(2 華中科技大學(xué),武漢 430074)
文章針對地球靜止軌道遙感器設(shè)計需求,運用光機熱集成設(shè)計的方法對相機進(jìn)行了一體化設(shè)計。通過復(fù)合支撐方法實現(xiàn)了大口徑SiC主鏡的高穩(wěn)定性支撐,保證了反射鏡面形的穩(wěn)定性;相機主體結(jié)構(gòu)在兼顧雙通道集成支撐與裝調(diào)基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化設(shè)計,保證了相機結(jié)構(gòu)的高剛度、高穩(wěn)定性;相機的隔振系統(tǒng)針對衛(wèi)星基頻進(jìn)行了解耦設(shè)計,保證相機鏡頭的安全性;相機遮光罩通過結(jié)構(gòu)及熱控一體化設(shè)計,有效降低了熱控功耗;相機整機力學(xué)試驗及真空熱試驗的 MTF測試結(jié)果表明,相機主體具有較高的穩(wěn)定性。
地球靜止軌道 一體化設(shè)計 遙感相機 紅外 “高分四號”衛(wèi)星
對地觀測遙感器有很多種,包括從低分辨率多色圖像的地球資源衛(wèi)星,到導(dǎo)彈預(yù)警遙感監(jiān)測的紅外遙感器,再到高分辨率可見光遙感器。大多數(shù)對地觀測詳查衛(wèi)星均工作于太陽同步軌道,此軌道距地大約 500km,可提供恒定的太陽高度角,同時可在較小大氣阻力環(huán)境下得到高精度觀測能力[1]。然而,低軌遙感衛(wèi)星重訪周期相對較長,如WorldView-1,GeoEye-1等,至少需要2~3天。對于遙感連續(xù)監(jiān)視、快速響應(yīng)的需求,低軌遙感衛(wèi)星已不能滿足。而地球靜止軌道(GEO)對地觀測衛(wèi)星具備極高的時間分辨率和中等的空間分辨率,以及多光譜成像能力,能夠滿足減災(zāi)、林業(yè)、氣象等用戶廣泛需求,同時可滿足軍事監(jiān)視需求,具有極高的社會和經(jīng)濟(jì)效益[2]。美國從1970年即開展了地球靜止軌道遙感系統(tǒng)研制(GOES)[3];其他國家也在同步開展地球靜止軌道遙感衛(wèi)星的研制,如歐洲的Meteosat、日本的JAMI、俄羅斯的GOMS、印度的INSAT、韓國的COMS,以及我國的風(fēng)云氣象衛(wèi)星[4-5]。
隨著技術(shù)的發(fā)展,以及人類對減災(zāi)、氣象等迫切需求,地球靜止軌道遙感衛(wèi)星在光譜覆蓋范圍、地面分辨率等關(guān)鍵指標(biāo)上也在不斷進(jìn)步。Puschell等人[6]曾針對高軌遙感器技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行長期調(diào)研,如表1所示。
表1 地球靜止軌道遙感衛(wèi)星性能及發(fā)展趨勢Tab.1 GEO remote sensing satellites’ performance and development trends
本文所研究的“高分四號”衛(wèi)星地球靜止軌道遙感相機可實現(xiàn)星下點50m分辨率技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)光機熱一體化設(shè)計及與衛(wèi)星一體化設(shè)計[7-10],相機集成了可見光近紅外及中波紅外通道,兩通道均采用面陣探測器,通過管理控制系統(tǒng)實現(xiàn)兩通道同時、同視場工作。另外,通過衛(wèi)星姿態(tài)機動,可實現(xiàn)對地球圓盤區(qū)域內(nèi)任意位置快速機動觀測。該相機主體三維構(gòu)型圖如圖1所示。
圖1 相機主體三維構(gòu)型Fig.1 3D model of the camera
本文從相機在軌成像品質(zhì)影響因素出發(fā),采用多學(xué)科一體化設(shè)計方法,以系統(tǒng)總體最優(yōu)化為目標(biāo),在大口徑碳化硅主鏡支撐技術(shù)、雙通道集成的高穩(wěn)定性主體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、相機隔振系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、大型遮光罩結(jié)構(gòu)熱控一體化設(shè)計技術(shù)等方面,對“高分四號”衛(wèi)星相機光機熱集成設(shè)計技術(shù)進(jìn)行介紹。
1.1 反射鏡組件的設(shè)計及分析
為實現(xiàn)對地物目標(biāo)的高分辨率探測,地球靜止軌道面陣遙感相機需要采用大口徑長焦距主光學(xué)系統(tǒng)。主反射鏡組件用于收集、反射地物目標(biāo)的輻射能量,是相機光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵組件之一。反射鏡的支撐技術(shù)有裝框式、多點支撐式等,多點支撐式又分為Bipod支撐式和多點球鉸支撐式[11-12]。裝框式是傳統(tǒng)小口徑反射鏡多采用的一種支撐方式;Bipod式是為了適應(yīng)大口徑相機的發(fā)展逐步發(fā)展起來的一種支撐方式;多點球鉸式是利用六點定位原理而設(shè)計的一種完全靜定的支撐方式,適用于中小口徑的反射鏡支撐。上述支撐方式的特點如表2所示。
表2 空間遙感器反射鏡支撐方式及其優(yōu)缺點Tab.2 Advantages and disadvantages of the reflective mirror supporting method for space remote sensor
本文研究的相機主鏡,組件基頻要求大于 120Hz,裝調(diào)狀態(tài)重力面形 RMS要求小于 0.003λ(波長λ=632.8nm),設(shè)計難度較大。由于反射鏡背面和側(cè)面空間尺寸的局限,無法采用多點支撐方式,因此選擇裝框式輔以限位塊的復(fù)合式支撐技術(shù),鏡框與主承力結(jié)構(gòu)間通過球頭球窩墊片來釋放裝配應(yīng)力,通過膠斑布局、膠斑面積和厚度的優(yōu)化來實現(xiàn)主鏡組件高剛度設(shè)計,以滿足面形要求。主鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖2所示。
圖2 主鏡組件結(jié)構(gòu)示意Fig.2 The prime mirror structure
主鏡采用背部開放三角形輕量化孔的形式,根據(jù)輕量化分析,最終確定的主鏡輕量化結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示,主鏡質(zhì)量23.14kg,輕量化率76.6%。
表3 主鏡輕量化結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 The lightweight structure parameter of the prime mirror
利用有限元技術(shù)對主鏡組件的力學(xué)性能進(jìn)行分析,裝調(diào)狀態(tài)下的重力面形RMS為0.001λ。變形云圖及面形分析結(jié)果參見圖3和圖4。
圖3 主鏡組件光軸水平重力工況變形分析結(jié)果Fig.3 1gndeformation cloud of the PM with the horizontal optical axis
圖4 主鏡組件光軸水平重力工況面形分析結(jié)果Fig.4 1gn deformation optical shape measurement result of the PM with the horizontal optical axis
4℃溫度變化工況下,主鏡面形為0.001λ,說明其熱卸載能力滿足要求。變形云圖及面形分析結(jié)果參見圖5和圖6。
圖5 4℃溫升主鏡組件熱變形分析結(jié)果Fig.5 4℃ thermal deformation cloud of the PM
圖6 4℃變化主鏡組件約束狀態(tài)面形分析結(jié)果Fig.6 4℃ thermal deformation optical shape measurement result of the PM
主鏡組件安裝點全約束情況下,對主鏡組件施加10gn過載工況,經(jīng)仿真計算,主膠斑最大徑向應(yīng)力為0.28MPa,軸向為0.15MPa,膠斑材料抗拉強度約為2MPa,因此該過載工況下,主鏡組件膠斑在安全范圍內(nèi)。
根據(jù)圖3~6中重力變形和溫度變化變形分析結(jié)果可知,主鏡組件裝調(diào)狀態(tài)重力面形和溫度面形滿足設(shè)計要求;后續(xù)須對相機進(jìn)行整機 MTF力學(xué)試驗測試,以驗證該反射鏡復(fù)合支撐技術(shù)是否能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)苛面形要求、高剛度要求、嚴(yán)酷力學(xué)環(huán)境要求的設(shè)計指標(biāo)。
1.2相機主體結(jié)構(gòu)設(shè)計
空間遙感相機主承力結(jié)構(gòu)的功能是為相機各光學(xué)、機構(gòu)及電子學(xué)部件提供穩(wěn)定支撐,保證各光學(xué)元件與像面之間光學(xué)系統(tǒng)所要求的準(zhǔn)確位置關(guān)系[13-14];同時需能承受發(fā)射段惡劣的環(huán)境載荷,確保光學(xué)、電子學(xué)和機構(gòu)部件不受損壞。因此,主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目標(biāo)是在一定空間包絡(luò)范圍內(nèi)、在有限總質(zhì)量要求條件下,設(shè)計出滿足高剛度、高穩(wěn)定性支撐結(jié)構(gòu)。
本文所設(shè)計的相機光學(xué)系統(tǒng)包括共用主光學(xué)系統(tǒng)的可見光及中波紅外雙通道[15],如圖7所示。
圖7 相機光學(xué)系統(tǒng)Fig.7 The optical system configuration of camera
根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型以及裝配裝調(diào)過程要求,相機主承力結(jié)構(gòu)采用分體構(gòu)型。將主光學(xué)系統(tǒng)(主次鏡系統(tǒng))與可見光通道集成,采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),設(shè)計空心盒式鑄造鈦合金主承力結(jié)構(gòu)——前承力框。在同等質(zhì)量前提下,得到最優(yōu)剛度結(jié)構(gòu)構(gòu)型;另外盒式結(jié)構(gòu)便于設(shè)置安裝結(jié)構(gòu),有效支持了相機光機熱一體化構(gòu)型設(shè)計。相機紅外通道采用了焦面冷備份方案來提高系統(tǒng)可靠性,根據(jù)裝調(diào)需求,將分色片后部所有紅外鏡頭及焦面組件全部集成于一體,設(shè)計板框混合式鑄造鈦合金主承力結(jié)構(gòu)——紅外承力板。通過對筋板布局及筋板厚度的優(yōu)化設(shè)計,不但使紅外承力板有效利用了相機后部空間,還對紅外通道部組件提供了有效的支撐,使紅外通道裝配裝調(diào)與可見光通道完全解耦,大幅降低了總裝難度,提高了相機研制效率。相機主光學(xué)系統(tǒng)與紅外通道之間設(shè)計了筒式鑄造鈦合金承力構(gòu)件——后承力筒。后承力筒結(jié)構(gòu)在設(shè)計初期考慮了空間消雜光要求、相機后主體熱控實施要求,以及主光學(xué)與紅外通道系統(tǒng)集成等功能需求。后承力筒采用封閉筒壁式結(jié)構(gòu),結(jié)合經(jīng)緯分布加強筋形式對筒壁進(jìn)行加強,在有限總質(zhì)量要求內(nèi),將相機兩通道穩(wěn)定連接到一起,同時為光學(xué)系統(tǒng)提供了封閉消雜光空間;也為相機熱控實施、電纜部裝提供了充裕安裝界面。
對相機主體進(jìn)行模態(tài)分析,其前兩階模態(tài)振型分別為沿X向平動以及沿Y向平動,模態(tài)頻率分別為一階模態(tài)40Hz,二階模態(tài)40Hz,振型如圖8所示。
圖8 相機主體前兩階模態(tài)Fig.8 The first two order modals of camera
經(jīng)過鑒定級力學(xué)試驗測試,相機前兩階模態(tài)基頻分別為X向41Hz,Y向41Hz,仿真計算結(jié)果與力學(xué)試驗測得數(shù)據(jù)吻合較好,滿足衛(wèi)星總體要求。通過相機主體鑒定級正弦振動試驗后的性能測試可知,相機主次鏡、可見光焦面、紅外焦面等關(guān)鍵測點響應(yīng)均小于設(shè)計值,主體結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步檢驗,能夠確保相機經(jīng)歷發(fā)射段環(huán)境載荷后成像性能的穩(wěn)定性,設(shè)計承載能力與力學(xué)測試結(jié)果對比見表4。
表4 相機關(guān)鍵部組件力學(xué)試驗與設(shè)計承載對比分析Tab.4 Comparison between designed bearing loads and test loads gn
1.3 相機隔振系統(tǒng)設(shè)計
由于“高分四號”衛(wèi)星相機口徑大,系統(tǒng)靈敏度高,為確保相機經(jīng)歷發(fā)射段載荷后光學(xué)系統(tǒng)依然保持最佳工作狀態(tài),需設(shè)計相機隔振系統(tǒng),以減少衛(wèi)星發(fā)射段傳遞給相機的振動載荷。根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗得知,整星X向、Y向前兩階模態(tài)頻率約為21Hz和56Hz,Z向一階模態(tài)頻率約為 50Hz。根據(jù)隔振系統(tǒng)基本理論,相機一階基頻fc與衛(wèi)星一階基頻fs必須滿足時才有隔振效果[16],因此確定相機隔振系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)fx、fy的設(shè)計空間為37~43Hz,fz設(shè)計空間為75~90Hz。
綜合相機連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計空間與安裝要求,設(shè)計了一種基于Bipod支撐方式改進(jìn)的桿式阻尼隔振機構(gòu)。阻尼桿組件三維圖見圖9,其利用內(nèi)外筒壁填充阻尼材料,頂端設(shè)置支撐膠層提供剛度連接。通過三組共12根阻尼桿組成V型支座連接相機與衛(wèi)星。通過對兩桿之間夾角、支撐膠層數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得出滿足基頻設(shè)計要求的結(jié)果。
圖9 桿式阻尼隔振機構(gòu)組成三維模型Fig.9 The 3D model of truss vibration isolation structure
經(jīng)過仿真計算,阻尼桁架系統(tǒng)性能如表5所示。由表5數(shù)據(jù)可知,阻尼桁架系統(tǒng)基頻特性實現(xiàn)了相機系統(tǒng)與衛(wèi)星平臺基頻的解耦,有效減小了發(fā)射段衛(wèi)星傳遞給相機的環(huán)境載荷。
表5 阻尼隔振機構(gòu)設(shè)計驗證結(jié)果Tab.5 Test verification of truss the vibration isolation structure Hz
1.4 相機遮光罩設(shè)計
由于相機包括可見光譜段以及中波紅外譜段,對可見雜散光以及紅外雜散輻射都有較高要求,因此相機遮光罩內(nèi)壁需設(shè)置光欄片配合表面噴消雜光黑漆的方式來削減可見雜散光,同時遮光罩需具有良好的導(dǎo)熱性能,確保陽光照射到遮光罩后不會由于導(dǎo)熱性差出現(xiàn)局部高溫?zé)岚撸鸺t外雜散輻射,影響相機紅外成像性能。由于遮光罩具有獨特的控溫要求(高溫要求低于55℃,低溫根據(jù)連接位置熱邊界確定),其連接位置的溫控要求直接決定了遮光罩構(gòu)型方案以及熱控功耗。
本文根據(jù)遮光罩功能要求,給出了遮光罩與相機主體直接連接(方案 a)和遮光罩與衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)連接(方案b)兩種方案,其產(chǎn)品構(gòu)型、質(zhì)量及功耗如表6所示。
表6 遮光罩設(shè)計方案對照Tab.6 The two design of the sun shade
綜合兩種方案,方案b質(zhì)量略大,但其在功耗上具有較大優(yōu)勢,且遮光罩與相機絕熱連接,大幅降低了相機熱控設(shè)計難度,有效保證了相機在軌溫度穩(wěn)定性。因此確定方案b為最終方案。
經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計及測試,地球靜止軌道凝視相機各項性能指標(biāo)均滿足衛(wèi)星總體的要求。與國內(nèi)外其它地球靜止軌道凝視型相機對比,地球靜止軌道凝視相機在星下點分辨率、譜段配置、探測器規(guī)模等重要指標(biāo)方面,均具有較大優(yōu)勢。與表1所示的地球靜止軌道遙感器技術(shù)發(fā)展趨勢對比,“高分四號”衛(wèi)星相機的多數(shù)指標(biāo)優(yōu)于第四代地球靜止軌道遙感衛(wèi)星指標(biāo),部分指標(biāo)值的對比如表7所示。
表7 “高分四號”衛(wèi)星相機與國外第四代GEO相機指標(biāo)對比Tab.7 The performance contrast between GF-4 camera and the fourth generation GEO camera
為驗證相機采用的多種一體化設(shè)計手段是否確保相機具有足夠的環(huán)境適應(yīng)性,從相機的靜態(tài)傳函(MTF)角度進(jìn)一步驗證其光學(xué)性能穩(wěn)定性。在相機研制過程中、整機振動試驗前后、整機真空熱試驗后的各階段均對相機各譜段傳函進(jìn)行了測試和對比,其結(jié)果如表8所示。
從表8中可以看出,相機各譜段全視場平均傳函均滿足指標(biāo)要求,結(jié)合1.2節(jié)中相機主鏡組件的力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)設(shè)計中所采取的多種一體化設(shè)計手段合理,有效保證了相機光機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,主體結(jié)構(gòu)剛度能夠滿足發(fā)射段環(huán)境要求,進(jìn)一步驗證了相機一體化設(shè)計技術(shù)的先進(jìn)性。
表8 環(huán)境試驗前后MTF測試結(jié)果Tab.8 The MTF test results before and after environment test
本文從光機熱一體化集成設(shè)計角度出發(fā),對影響相機光學(xué)穩(wěn)定性、整機功耗、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的幾個關(guān)鍵部件的設(shè)計及優(yōu)化進(jìn)行了介紹,給出了整機的力學(xué)及真空熱試驗對系統(tǒng)傳函影響程度的驗證結(jié)果。試驗結(jié)果表明,相機光機熱一體化集成[17-18]設(shè)計方法的采用,保證了相機良好的結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性,最終確保了相機在軌具備優(yōu)異的成像品質(zhì)以及適應(yīng)復(fù)雜惡劣的高軌環(huán)境的能力[19]。
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Integrated Design Analysis of Remote Sensing Camera on Geostationary Earth Orbit Satellite
WANG Yue1,2LI Shiqi2ZHANG Jinlong1GAO Youdao1LIU Chuan1
(1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)
(2 Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)
Based on the design requirement of remote sensing camera on geosynchronous orbit satellite, this paper presents an integrated design method with full consideration of optical, thermal and mechanical requirements. A multiple-supporting method is used to realize the highly stable supporting of large aperture SiC primary mirror. By considering optical channels integration and optical calibration, an optimized structure design technology is applied to ensure that the main camera structure has enough rigidity and stability. With the frequency decoupling design between satellite and camera, the camera vibration isolation system insures the safety of optical lens. The power consumption of the thermal control is reduced effectively though the integrated thermal and structural design of sun shade. Finally, the camera successfully passes the vibration test and thermal vacuum test. The stability of the camera structure was validated by the MTF test results.
geostationary earth orbit; integrated design; remote sensing camera; infrared; GF-4 satellite
V443+.5
: A
: 1009-8518(2016)04-0040-09
10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.006
王躍,男,1985年生,現(xiàn)在華中科技大學(xué)先進(jìn)制造工程專業(yè)攻讀工程博士學(xué)位,高級工程師。主要研究方向為光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。E-mail: 77792088@qq.com。
(編輯:夏淑密)
2016-05-03
國家重大科技專項工程