蔡亞寧 肖鵬飛 何德華 張歡

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

數(shù)字化技術(shù)在高分三號衛(wèi)星總裝設(shè)計中的應(yīng)用

蔡亞寧 肖鵬飛 何德華 張歡

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

針對高分三號(GF-3)衛(wèi)星大型相控陣天線精準(zhǔn)總裝技術(shù)、大型相控陣天線質(zhì)量特性精確計算技術(shù)、星罩對接后星表插頭操作空間的人機工程模擬技術(shù)和天線隨整星一體化運輸設(shè)計技術(shù)4項設(shè)計問題,通過數(shù)字化技術(shù),分別應(yīng)用數(shù)學(xué)建模、Pro/E質(zhì)量特性計算、CATIA人機工程模擬和有限元分析等方法,對上述設(shè)計問題進行了分析,體現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)在衛(wèi)星總裝設(shè)計與實施過程中的應(yīng)用,結(jié)果表明:試驗數(shù)據(jù)滿足且優(yōu)于指標(biāo)要求,實踐效果良好。對于大型有效載荷衛(wèi)星的總裝設(shè)計技術(shù)具有一定的借鑒意義。

高分三號衛(wèi)星;總裝設(shè)計;數(shù)字化技術(shù)

1 引言

近年來隨著航天器有效載荷技術(shù)的飛速發(fā)展,大型相控陣天線(單翼長度大于5 m,雙翼長度大于10 m的平面相控陣天線或直徑大于10 m的拋物面天線)由于其高分辨率、多極化、多種工作模式等特性,在微波遙感領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[1-2],但是,高品質(zhì)的衛(wèi)星圖像也對衛(wèi)星的總裝技術(shù)提出了更高的要求。高分三號(GF-3)衛(wèi)星是我國對地觀測系統(tǒng)的重要組成部分,其主載荷合成孔徑雷達(SAR)天線具有質(zhì)量大(大于1000 kg)、尺寸大(大于10 m)、精度要求高(展開綜合平面度小于整體長度的1/3000)等特點,給整星的總裝技術(shù)實現(xiàn)帶來了諸多困難,如大型相控陣天線裝星精度要求高、天線質(zhì)量特性計算精度要求高、艙內(nèi)及星表部分設(shè)備操作困難、整星帶天線運輸狀態(tài)新等均無借鑒經(jīng)驗。

航天器數(shù)字化設(shè)計是指運用數(shù)字化的手段和方法[3-5],以數(shù)字化模型為主要設(shè)計成果和信息載體,快速建立數(shù)字化模型,準(zhǔn)確傳遞設(shè)計信息,以滿足用戶使用和工程制造需求的研制模式。目前,國內(nèi)外相關(guān)的設(shè)計機構(gòu)及高校都在數(shù)字化設(shè)計方面積極開展研究并取得了重要成果。如美國NASA充分利用數(shù)字化設(shè)計方法改進設(shè)計流程,使設(shè)計效率提高了5～10倍。我國中航工業(yè)某單位全面采用數(shù)字化設(shè)計,以全三維標(biāo)注替代二維圖紙,使整體研制周期縮短近40%。

本文結(jié)合GF-3衛(wèi)星大型相控陣天線的特殊性,針對衛(wèi)星總裝技術(shù)中的設(shè)計問題,介紹了利用數(shù)字化技術(shù)開展分析工作的實現(xiàn)過程,并介紹了工程實施和測量驗證效果,為數(shù)字化技術(shù)在衛(wèi)星總裝設(shè)計中的應(yīng)用開拓了新的思路。

2 大型相控陣天線精準(zhǔn)總裝技術(shù)

目前,在衛(wèi)星總裝過程中,有安裝精度要求的星載設(shè)備,其裝調(diào)過程一般采用傳統(tǒng)的人工試湊模式[6-7],經(jīng)過反復(fù)調(diào)測直至設(shè)備安裝精度滿足要求。此類方法設(shè)備安裝效率低,對于有展開綜合平面度和綜合指向精度要求的大型平面相控陣天線,每一次反復(fù)的試湊,都會帶來較大的工作量,且僅采用人工經(jīng)驗試湊,未必能達到要求的精準(zhǔn)安裝精度。而目前針對復(fù)雜安裝面的大型相控陣天線的裝星方法,在國內(nèi)尚無可借鑒的經(jīng)驗。為提高大型天線的安裝精度及安裝效率,現(xiàn)采用數(shù)字化建模技術(shù)對天線精準(zhǔn)總裝技術(shù)流程進行優(yōu)化,使天線一次裝調(diào)到位。本節(jié)主要在大型有效載荷安裝一般流程的基礎(chǔ)上,根據(jù)大型平面相控陣天線自身及與星體安裝接口的特點,增加精測數(shù)據(jù)的數(shù)字化建模及計算分析環(huán)節(jié),將調(diào)整墊片的添加從安裝后提到安裝前,提高了天線的裝星效率,優(yōu)化了裝星流程。具體實現(xiàn)過程如下。

1)精準(zhǔn)總裝技術(shù)的實現(xiàn)過程

按照以往安裝大型載荷的經(jīng)驗,大型相控陣天線的裝星及精測一般流程如圖1所示。

本文采用數(shù)字化建模對天線精準(zhǔn)總裝技術(shù)流程進行了優(yōu)化,較一般流程不同的是,通過提前將安裝接口數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)建模,并計算出調(diào)整方案,使天線裝星一次到位,顯著提高了天線的裝星效率及裝星精度。主要步驟包括:單翼天線裝星前精測－計算調(diào)整墊片添加方案－裝星后再精測－調(diào)整墊片添加方案修正－雙側(cè)翼天線整體精測－調(diào)整墊片添加方案修正－結(jié)束雙側(cè)翼天線裝星。總裝技術(shù)流程如圖2所示。

2)工程實施及測量驗證

GF-3衛(wèi)星SAR天線裝星工作中,采用數(shù)字化建模進行天線精準(zhǔn)總裝設(shè)計,根據(jù)SAR天線裝星精測結(jié)果,雙側(cè)翼大型平面相控陣天線一次裝調(diào)到位,使裝星效率提高了50%;且其展開綜合平面度達到整體長度的1/6024,優(yōu)于1/3000的指標(biāo)要求;綜合指向精度達到0．01°,優(yōu)于0．015°的指標(biāo)要求。

3 大型相控陣天線質(zhì)量特性精確計算技術(shù)

GF-3衛(wèi)星SAR天線占整星比重超過40%,其質(zhì)量特性的精確與否,直接影響整星在軌質(zhì)量特性估算的準(zhǔn)確性[8-9]。SAR天線由展開機構(gòu)、面板、框架、電纜和熱控組件等諸多部組件組合裝配而成,給質(zhì)量特性模擬計算帶來難度,為精確獲得SAR天線收攏及展開狀態(tài)質(zhì)量特性,可利用數(shù)字化軟件Pro/E中的質(zhì)量特性計算功能,根據(jù)整星質(zhì)量特性的實測值進行SAR天線各種狀態(tài)的質(zhì)量特性精確計算。

3．1 質(zhì)量特性精確計算技術(shù)實現(xiàn)過程

為使質(zhì)量特性計算數(shù)據(jù)更加真實準(zhǔn)確,本文提出“整星帶載與不帶載質(zhì)量特性對比測試法”,即進行“整星帶載”和“整星不帶載”兩次質(zhì)量特性測試試驗,對比試驗數(shù)據(jù),并且以實驗數(shù)據(jù)修正計算模型,進而精確計算SAR天線各狀態(tài)整體質(zhì)量特性。具體步驟如下。

(1)天線各部組件分別提供各自質(zhì)量特性,展開機構(gòu)需提供收攏和展開兩種狀態(tài)質(zhì)量特性;

(2)機械總體利用Pro/E軟件,初步估算SAR天線各種狀態(tài)質(zhì)量特性;

(3)整星不帶SAR天線(星本體)進行質(zhì)量特性測試,記錄為第一次質(zhì)量特性測試結(jié)果;

(4)SAR天線安裝后,整星帶SAR天線進行質(zhì)量特性測試,記錄為第二次質(zhì)量特性測試結(jié)果;

(5)在Pro/E軟件中,將星本體質(zhì)量特性測試值(第一次質(zhì)量特性測試結(jié)果)賦予星本體模型,調(diào)整收攏狀態(tài)SAR天線模型質(zhì)量特性參數(shù),使星本體＋SAR天線整體質(zhì)量特性參數(shù)計算值與第二次質(zhì)量特性測試結(jié)果一致;

(6)記錄調(diào)整后的收攏狀態(tài)SAR天線模型質(zhì)量特性參數(shù);

(7)在Pro/E軟件中,調(diào)整電纜及熱控組件等質(zhì)量特性參數(shù),使SAR天線模型質(zhì)量特性參數(shù)與第(6)步調(diào)整后的結(jié)果一致;

(8)記錄調(diào)整后的電纜及熱控組件等質(zhì)量特性參數(shù);

(9)在Pro/E軟件中,將調(diào)整后的質(zhì)量特性參數(shù)分別賦予SAR天線展開狀態(tài)的各個部組件(未調(diào)整的保留原數(shù)據(jù)),進行綜合質(zhì)量特性計算,即得出修正后的SAR天線展開狀態(tài)質(zhì)量特性;

(10)利用結(jié)構(gòu)星的估算結(jié)果也可精確計算正樣星的整星質(zhì)量特性,并提前計算配重添加方案,精確計算步驟與上述步驟類似。

3．2 工程實施及測量驗證

GF-3衛(wèi)星質(zhì)量特性計算工作中,根據(jù)初樣結(jié)構(gòu)星的兩次質(zhì)量特性測試結(jié)果,精確計算出SAR天線精確的質(zhì)量特性參數(shù),并根據(jù)精確計算結(jié)果,提前計算出正樣星質(zhì)量特性參數(shù)及配重添加方案。根據(jù)正樣星的估算與測試結(jié)果的比對,質(zhì)量特性準(zhǔn)確率達到了99．6%。

4 星罩對接后星表插頭操作空間的人機工程模擬技術(shù)

星罩對接后,需要在基地廠房和發(fā)射塔架對兩個星表操作口的星表插頭進行插拔操作,GF-3衛(wèi)星SAR天線占據(jù)了星表的大部分空間,星表插頭位置正好位于SAR天線兩側(cè),為優(yōu)化星罩對接試驗,確保星表插頭插拔操作的順利進行,可利用數(shù)字化分析軟件CATIA進行操作空間人機工程模擬。

4．1 星罩對接后星表插頭操作空間的人機工程模擬技術(shù)實現(xiàn)過程

1)建立分析模型

可行性分析采用CATIA軟件的人機工程分析模塊。各分析模型如下。

(1)整流罩及衛(wèi)星模型:建立整流罩的三維模型,并在模型上繪制星箭操作口,如圖3(a)所示。衛(wèi)星三維模型通過整星Pro/E模型轉(zhuǎn)格式為stp模型,然后通過CATIA軟件直接打開。如圖3(b)所示。

(2)人體模型:人體模型采用CATIA軟件數(shù)據(jù)庫中參數(shù)選項為75%的中國女性[10-11]。

2)星表插頭操作空間的人機工程模擬

由圖4可見,操作者身體探進整流罩后可進行操作,且操作者眼睛可以對操作的插頭進行觀察。

4．2 工程實施及測量驗證

采用數(shù)字化技術(shù)進行星罩對接后,星表插頭操作空間的人機工程模擬,基本真實地模擬了操作人員在星罩對接后的操作狀態(tài),不僅提前驗證了整流罩開孔的合理性,而且優(yōu)化了星罩對接試驗流程,減少了星表插頭操作困難所帶來的風(fēng)險。

5 天線隨整星一體化運輸設(shè)計技術(shù)

SAR天線的重復(fù)拆裝會影響天線的裝調(diào)精度,為減少SAR天線裝調(diào)次數(shù),固化天線裝星精度,優(yōu)化總裝流程,GF-3衛(wèi)星采用SAR天線隨整星一體化運輸形式,并且利用數(shù)字化仿真軟件Patran進行一體化運輸狀態(tài)的有限元分析,進而驗證一體化運輸設(shè)計的可行性。

5．1 天線隨整星一體化運輸設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)過程

GF-3衛(wèi)星SAR天線每側(cè)設(shè)置有6個壓緊座,每個壓緊座都與艙內(nèi)加強梁連接,使作用于壓緊座上的支反力傳遞至星體主結(jié)構(gòu),如圖5所示。

由于衛(wèi)星水平運輸狀態(tài)時縱向長度大,需在星體橫軸(X軸)方向上提供輔助支撐點,GF-3衛(wèi)星將運輸輔助支撐點設(shè)置在SAR天線壓緊座上,并使用壓緊座已有孔位與包裝箱轉(zhuǎn)接支架連接。一方面壓緊座位于傳力路徑上,強度可以得到保證;另一方面,整星避免了設(shè)計新的輔助支撐點位置,節(jié)省了星表空間。SAR天線隨整星運輸?shù)臓顟B(tài)如圖6所示。

建立整星有限元模型并施加運輸狀態(tài)約束如圖7所示,得出整星結(jié)構(gòu)特別是SAR天線壓緊座部位均滿足運輸狀態(tài)的強度要求。

5．2 工程實施及測量驗證

GF-3衛(wèi)星采用了天線隨整星一體化運輸設(shè)計技術(shù),整星運輸至發(fā)射場后,對展開狀態(tài)的SAR天線精度進行復(fù)測,平面度變化率為4．4%,指向精度變化率為0．09%,且復(fù)測結(jié)果均滿足總體指標(biāo)要求,確保了天線裝星精度的穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

本文將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星總裝設(shè)計與實施過程中,一方面,有效指導(dǎo)和解決了大型有效載荷的總裝設(shè)計階段的技術(shù)問題,提高了大型有效載荷的總裝效率;另一方面,使得大型有效載荷的總裝精度更加有保證,從而有效保障了大型有效載荷在軌的成像或工作狀態(tài)。盡管仍需要不斷改進,但是在探索及優(yōu)化的過程中也取得了創(chuàng)新性的成果和經(jīng)驗,為數(shù)字化在衛(wèi)星總裝設(shè)計與實現(xiàn)中的應(yīng)用開拓了新的思路,主要包括:

(1)提出利用數(shù)字化建模優(yōu)化天線精準(zhǔn)總裝的技術(shù)流程,并應(yīng)用于GF-3衛(wèi)星SAR天線裝星工作中,雙側(cè)翼大型平面相控陣天線一次裝調(diào)到位,將裝星效率提高了50%,且其展開綜合平面度達到整體長度的1/6024,綜合指向精度達到0．01°,全部優(yōu)于指標(biāo)要求,為大型天線精準(zhǔn)裝星積累了實踐經(jīng)驗。

(2)提出“整星帶載與不帶載質(zhì)量特性對比測試法”,采用數(shù)字化技術(shù)進行大型相控陣天線質(zhì)量特性精確計算,使正樣星質(zhì)量特性預(yù)估準(zhǔn)確率達到了99.6%,對于有展開特性的大型部組件質(zhì)量特性精確計算有借鑒意義。

(3)采用數(shù)字化技術(shù)進行星罩對接后星表插頭操作空間的人機工程模擬,基本真實地模擬了操作人員在星罩對接后的操作狀態(tài),優(yōu)化了星罩對接試驗流程,減少了星表插頭操作風(fēng)險。

(4)采用天線隨整星一體化運輸設(shè)計技術(shù),整星運輸至發(fā)射場后,對展開狀態(tài)的SAR天線精度進行復(fù)測,平面度變化率為4．4%,指向精度變化率為0.09%,且復(fù)測結(jié)果均滿足總體指標(biāo)要求,確保了天線裝星精度的穩(wěn)定,減少了天線裝星次數(shù),優(yōu)化了總裝流程,也為大型天線隨整星一體化運輸技術(shù)提供了借鑒經(jīng)驗。

References)

[1]徐福祥．衛(wèi)星工程概論[M]．北京:中國宇航出版社,2002 Xu Fuxiang．Satellite engineering[M]．Beijing:China Astronautics Press,2002(in Chinese)

[2]張慶君．高分三號衛(wèi)星總體設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)[J]．測繪學(xué)報,2017,46(3):269-277 Zhang Qingjun．System design and key technologies of the GF-3 satellite[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(3):269-277(in Chinese)

[3]蘇傳國,韓鳳宇,初海濱．航天器的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計模式創(chuàng)新實踐[J]．航天器工程,2015,24(z1):1-6 Su Chuanguo,Han Fengyu,Chu Haibin．Innovation and practice of spacecraft digital collabora-tive design mode[J]．Spacecraft Engineering,2015,24(z1):1-6(in Chinese)

[4]魏躍良,趙晶晶,李長勛．航天器AIT的數(shù)字化實施[J]．航天器工程,2015,24(z1):7-14 Wei Yueliang,Zhao Jingjing,Li Changxun．Implementation of spacecraft AIT digital implementation[J]．Spacecraft Engineering,2015,24(z1):7-14(in Chinese)

[5]陳向東,張旺軍．航天器的數(shù)字化總裝設(shè)計研究[J]．航天器工程,2008,11(6):64-67 Chen Xiangdong,Zhang Wangjun．Study on spacecraft digital integration design[J]．Spacecraft Engineering,2008,11(6):64-67(in Chinese)

[6]韓冬．星載設(shè)備安裝精度精測模型建立與系統(tǒng)開發(fā)[J]．計算機集成制造系統(tǒng),2007(12):83-87 Han Dong．Modeling development of assembly precision adjusting system for devices on satellite[J]．Computer Integrated Manufacturing Systems,2007,(12):83-87(in Chinese)

[7]寧汝新,鄭軼．虛擬裝配技術(shù)的研究進展及發(fā)展趨勢分析[J]．中國機械工程,2005,16(15):1398-1404 Ning Ruxin,Zheng Yi．Analysis on recent study progresses and trends of virtual assembly technology[J]．Mechanical Engineering of China,2005,16(15):1398-1404(in Chinese)

[8]王洪鑫,徐在峰．航天器質(zhì)量特性測試技術(shù)新進展[J]．航天器環(huán)境工程,2011,28(2):171-174 Wang Hongxin,Xu Zaifeng．Recent advances of mass property measuring technology for spacecraft[J]．Spacecraft Environment Engineering,2011,28(2):171-174(in Chinese)

[9]Tanygin S,Williams T．Mass property estimation using coasting maneuvers[J]．Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1997,20:625-632

[10]Zhang An,Tang Zhili,Zhang Chao．Man-machine function allocation based on uncertain lin-guistic multiple attribute decision making[J]．Chinese Journal of Aeronautics,2011,24(6):816-822

[11]楊燦軍,陳鷹．人機一體化智能系統(tǒng)理論及應(yīng)用研究探索[J]．機械工程學(xué)報,2000,36(6):42-47 Yang Canjun,Chen Ying．Study on the man-machine intelligent system and its application[J]．Chinese Journal of Mechanical Engineering,2000,36(6):42-47(in Chinese)

Applications of Digital Technologies to Assembly Design for GF-3 Satellite

CAI Yaning XIAO Pengfei HE Dehua ZHANG Huan
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Four design problems of assembly technologies for GF-3 satellite is presented in this paper,which included technologies such as large phased array antenna accurate assembling,accurate mass property calculation of large phased array antenna,human-robot simulation of satellite surface plug operation after satellite-fairing docking,integration transport design for antenna and satellite．By digital technologies,methods of mathematical model,Pro/E mass property calculation,CATIA human-robot simulation and finite element analysis are separately applied to the design problems above,which embodied the application of digital technologies on satellite assembly design and implementation．The result shows that test data meet and superior to the requirements,and good practical effects were acquired,which provided certain reference for assembly design heavy payload．

GF-3 satellite;assembly design;digital technology

TP391

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.022

2017-10-10;

2017-11-18

國家重大科技專項工程

蔡亞寧,女,碩士,工程師,從事衛(wèi)星機械總體設(shè)計工作。Email:caiyaning1218＠126．com。

(編輯:李多)