鄭鵬 孟少華 趙書萍 劉杰 張彬 徐奕柳 章磊

(1北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)(2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

數(shù)字化仿真技術(shù)在高分三號衛(wèi)星總裝工藝優(yōu)化中的應(yīng)用

鄭鵬1孟少華1趙書萍1劉杰2張彬1徐奕柳1章磊1

(1北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)(2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

針對高分三號(GF-3)衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)(SAR)分系統(tǒng)復(fù)雜度高、艙內(nèi)填充密度大、總裝實(shí)施難度大等特點(diǎn),文章采用數(shù)字化仿真技術(shù),首先建立包含人員、工裝、儀器等裝配要素的仿真環(huán)境,以操作空間、裝配過程可見等為評價(jià)指標(biāo),開展面向衛(wèi)星質(zhì)量管控的總裝工藝方案可行性分析。從干涉性、可見性、舒適性等方面識別工藝方案中的潛在風(fēng)險(xiǎn),并給出最優(yōu)操作實(shí)施路徑或風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防護(hù)措施,進(jìn)而對總裝工藝方案進(jìn)行優(yōu)化。最后,以SAR天線平面近場展開測試和電子分系統(tǒng)總裝為應(yīng)用工況進(jìn)行了驗(yàn)證。

高分三號衛(wèi)星;數(shù)字化仿真;工藝優(yōu)化

1 引言

數(shù)字化仿真技術(shù)是在數(shù)字化發(fā)展異常迅猛的前提下開展的[1]。它以虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ),對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程統(tǒng)一建模,在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)等整個生命周期的模擬和仿真[2]。

近年來,數(shù)字化仿真技術(shù)在廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域促進(jìn)航空事業(yè)快速發(fā)展的同時,也逐漸應(yīng)用于航天領(lǐng)域。在國外,美、俄、歐洲等國家和地區(qū)所屬的航天部門和宇航公司非常重視衛(wèi)星總體總裝的仿真與演示驗(yàn)證,所建立的總體仿真與演示驗(yàn)證系統(tǒng)在衛(wèi)星研制中發(fā)揮著重要作用。具有典型代表意義的如美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的飛行系統(tǒng)測試平臺(Flight System Testbed,FST),蘭利研究中心的航天器模擬仿真系統(tǒng)(Spacecraft Simulation,SPASIM)、俄羅斯能源科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體(NPO Energiya)的綜合仿真測試平臺(KMC)。在國內(nèi),數(shù)字化裝配仿真技術(shù)探索研究也逐漸開展,如浙江大學(xué)的自主開發(fā)的虛擬設(shè)計(jì)與裝配原型系統(tǒng)(Virtual Reality Design and Assembly System,VIRDAS),北京理工大學(xué)開發(fā)的“虛擬裝配系統(tǒng)”等[3-5]。目前,數(shù)字化仿真技術(shù)在航天領(lǐng)域中,針對不同航天器復(fù)雜工況的特征仿真及應(yīng)用仍在不斷發(fā)展。

高分三號(GF-3)衛(wèi)星作為首顆8年低軌長壽命衛(wèi)星,對衛(wèi)星總裝、測試與試驗(yàn)(AIT)質(zhì)量控制提出了更高要求,合成孔徑雷達(dá)(SAR)天線平面近場展開測試、±Y小艙狹小空間產(chǎn)品密集拆裝等總裝操作存在技術(shù)新、實(shí)施難度大、操作有盲區(qū)等特點(diǎn)。因此,本文面向上述典型關(guān)鍵裝配過程,采用基于Pro/E＋SmartReader、DELMIA軟件的數(shù)字化仿真技術(shù),對典型工況可能存在的干涉情況進(jìn)行仿真,并對部分工況的可視性、舒適性進(jìn)行分析,提前識別風(fēng)險(xiǎn),發(fā)現(xiàn)問題,以達(dá)到減少產(chǎn)品裝配過程中的設(shè)計(jì)和工裝更改,保證裝配質(zhì)量和提高裝配效率的目的[6-8]。

2 GF-3衛(wèi)星總裝典型工況介紹

GF-3衛(wèi)星搭載的有源相控陣SAR天線,在國內(nèi)同類SAR天線中其尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,具有展開包絡(luò)大、成像模式精密的特點(diǎn)。不僅在地面和空間受外力和運(yùn)動慣量的影響比較明顯,對各種成像模式的地面驗(yàn)證要求也更加嚴(yán)格,依據(jù)整星構(gòu)型要求,為SAR有效載荷提供伺服的SAR有效載荷電子分系統(tǒng),分布于衛(wèi)星對稱分布的載荷艙±Y小艙,具有設(shè)備布局密集,操作空間狹小的特點(diǎn)(見圖1)。

2．1 SAR天線專項(xiàng)地面驗(yàn)證(平面近場展開測試)

GF-3衛(wèi)星在研制過程中,需要在平面近場通過氣浮平臺提供支撐條件,完成SAR天線的地面零重力展開試驗(yàn)及各種成像模式的測試,由于場地環(huán)境限制,氣浮平臺、吸波材料、掃描架和衛(wèi)星在平面近場能否合理布局(見圖2)成為制約衛(wèi)星研制流程的關(guān)鍵因素之一。此外,能否通過模擬墻將SAR天線在平面近場展開,對整星研制流程的確定尤為重要。

2．2 SAR電子分系統(tǒng)總裝(載荷艙±Y小艙設(shè)備安裝)

GF-3衛(wèi)星±Y小艙內(nèi)布局設(shè)備均為SAR有效載荷電子分系統(tǒng)產(chǎn)品,共計(jì)16臺(套)。其中－Y小艙布局有9臺(套)設(shè)備,＋Y小艙內(nèi)布局有7臺(套)設(shè)備,具有設(shè)備布局密集,操作空間狹小,操作路徑深等特點(diǎn),設(shè)備布局見圖3。

3 典型工況數(shù)字化仿真過程

針對GF-3衛(wèi)星SAR天線平面近場專項(xiàng)測試及SAR電子分系統(tǒng)狹小空間,AIT操作存在技術(shù)新、工況復(fù)雜、實(shí)施難度大、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多的特點(diǎn),采用基于Pro/E＋Smart Reader、DELMIA軟件為手段的數(shù)字化仿真技術(shù),對各工況進(jìn)行預(yù)先仿真研究。

3．1 SAR天線平面近場展開

1)仿真流程

利用Pro/E軟件將平面近場、SAR天線模擬墻、吸波材料、掃描架、兩軸轉(zhuǎn)臺、衛(wèi)星、氣浮臺等進(jìn)行建模,然后采用Smart Reader軟件讀取模型數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,并將仿真結(jié)果進(jìn)行迭代分析,提前識別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并提出應(yīng)對措施(見圖4)。

2)工況仿真

(1)干涉分析。分別對SAR天線在模擬墻上展開以及SAR天線在整星狀態(tài)下展開時,SAR天線包絡(luò)與氣浮臺、模擬墻、氣足等之間的位移關(guān)系進(jìn)行過程仿真,發(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬墻或衛(wèi)星停放狀態(tài)不合理時產(chǎn)生的干涉情況,見圖5。

(2)改進(jìn)建議。對衛(wèi)星進(jìn)入平面近場的位置進(jìn)行準(zhǔn)確布局定位,由于SAR天線對稱分布于星體±X側(cè),在此僅對－X側(cè)SAR天線在氣浮臺展開過程進(jìn)行仿真分析。SAR天線未展開時其端面與吸波材料間距范圍控制在450 mm～460 mm,建議最優(yōu)為457．5 mm,衛(wèi)星本體軸心距離氣浮臺外端面尺寸為710 mm,從而確保SAR天線展開全程無干涉,調(diào)整后單側(cè)尺寸標(biāo)注如圖6所示。

通過以上仿真分析,得出SAR天線在平面近場狹小空間內(nèi)展開全過程與氣浮臺、吸波材料等邊界干涉情況,給出了位置調(diào)整建議,按照仿真分析后的位置尺寸進(jìn)行布局調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了SAR天線在平面近場的順利展開,確保研制工作順利完成。

3．2 載荷艙±Y小艙設(shè)備安裝

1)創(chuàng)建仿真環(huán)境

將GF-3衛(wèi)星載荷艙±Y小艙模型、架梯模型、架車模型轉(zhuǎn)換為DELMIA能識別的數(shù)據(jù)(CATProduct)格式,并加載仿真過程可能用到的優(yōu)化方式(操作工具、導(dǎo)向桿、輔助支撐等),建立仿真環(huán)境,如圖7所示。

2)干涉分析

假設(shè)載荷艙±Y小艙設(shè)備安裝到位的情況下進(jìn)行個別設(shè)備的臨時拆裝操作,通過仿真對其可能的干涉情況進(jìn)行分析,結(jié)果如圖8所示。

通過干涉分析可知:

(1)拆卸雷達(dá)接收機(jī)a時,人體與載荷控溫儀干涉,需要先行拆除載荷控溫儀,且與SAR天線配電器a電連接器最小距離為24 mm,不滿足安全距離要求,建議先拆下其電連接器;

(2)拆卸內(nèi)定標(biāo)器過程中,拆下緊固件操作時螺絲刀與SAR天線配電器b間最小距離為15 mm,不滿足電纜插接狀態(tài)的安全距離,建議先拆除SAR天線配電器上電纜;

(3)拆卸波束控制器時,人體與載荷控溫儀間最小距離為57 mm,不滿足電纜插接狀態(tài)的安全距離,建議先拆除載荷控溫儀上電纜;

(4)拆裝SAR天線配電器a時,緊固件操作時手部與波束控制器最小距離為35 mm,操作過程中存在與電纜有刮蹭的風(fēng)險(xiǎn),建議拆裝SAR天線配電器a前拔掉波束控制器的電纜;

(5)拆裝微波組合時,由于空間狹小,人體與監(jiān)控定時器間距離為40 mm,操作過程存在與電纜刮蹭的危險(xiǎn),建議拆裝微波組合前先拔下監(jiān)控定時器上的電纜;

(6)拆裝驅(qū)動放大器a時,人體與調(diào)頻信號源最小距離為56 mm,在操作過程中可能存在與電纜刮蹭風(fēng)險(xiǎn),建議在拆裝驅(qū)動放大器a前先將調(diào)頻信號源上的電纜拔下。

3)可視性分析

對載荷艙±Y小艙設(shè)備拆裝時的操作可視性進(jìn)行仿真,選取可借用地面工裝達(dá)到的最佳可視性進(jìn)行分析,提前識別存在可視性較差或可能存在盲操作的工況,如圖9所示。

通過可視性分析可知:

(1)SAR天線配電器a安裝緊固件時,內(nèi)側(cè)固定位置被遮擋,操作時需借助反光鏡;

(2)載荷控溫儀安裝緊固件時,內(nèi)側(cè)固定位置被遮擋,操作時需借助反光鏡;

(3)基準(zhǔn)頻率源安裝緊固件時,下側(cè)固定位置被遮擋,操作時需借助反光鏡;

(4)驅(qū)動放大器a安裝緊固件時,左側(cè)固定位置被遮擋,操作時需借助反光鏡;

(5)調(diào)頻信號源安裝緊固件時,內(nèi)側(cè)固定位置被遮擋,操作時需借助反光鏡;

(6)數(shù)據(jù)形成器安裝緊固件時,內(nèi)側(cè)固定位置被遮擋,操作時需借助反光鏡。

4)舒適性分析

在DELMIA軟件中,操作人員的肢體顏色代表操作的舒適性,其中綠色表示舒適、黃色表示較好、橙色表示良好、紅色表示不適。

對載荷艙±Y小艙設(shè)備拆裝時的人體操作舒適性進(jìn)行分析,并對通過軟件仿真分析超出人體舒適性邊界的工況進(jìn)行了借助輔助工裝改善后工況的仿真分析,結(jié)果見圖10。

通過舒適性分析可知:

(1)不用輔助工裝安裝波束控制器時,該狀態(tài)所能負(fù)載的最大質(zhì)量為5．6 kg,對比波束控制器自重為7．4 kg,建議該操作借用輔助工裝導(dǎo)向桿,無需拆卸載荷控溫儀電纜且操作舒適性評分較優(yōu);

(2)不用輔助工裝安裝內(nèi)定標(biāo)器時,該狀態(tài)所能負(fù)載的質(zhì)量為5．9 kg,對比內(nèi)定標(biāo)器自重為8 kg,建議該操作借用輔助工裝導(dǎo)向桿,無需拆卸載荷控溫儀電纜且操作舒適性評分較優(yōu);

(3)不用輔助工裝安裝驅(qū)動放大器b時,該狀態(tài)所能負(fù)載的質(zhì)量為4．8 kg,對比驅(qū)動放大器b自重為5 kg,建議該操作借用輔助工裝導(dǎo)向桿,此時操作舒適性評分較優(yōu);

(4)除上述3臺設(shè)備外的其他設(shè)備拆裝時,通過操作舒適性分析,均可在不借用工裝的情況下完成。

通過以上仿真,對載荷艙±Y小艙拆裝時干涉情況、可視性、舒適性進(jìn)行分析,給出了操作過程可能存在的干涉情況、不可視盲操作工況及對人員操作舒適性上不可達(dá)的情況,并給出了改善與解決方案,為設(shè)備順利拆裝提出了可行性方案。

4 結(jié)束語

本文從實(shí)際需求出發(fā),采用基于Pro/E＋Smart Reader、DELMIA軟件為手段的數(shù)字化仿真技術(shù),對GF-3衛(wèi)星SAR天線測試工裝布置、分系統(tǒng)設(shè)備安裝等工況進(jìn)行了三維仿真,從干涉性、可視性、舒適性等方面對總裝操作進(jìn)行了分析,并給出了可行的解決建議。應(yīng)用結(jié)果證明,數(shù)字化仿真技術(shù)可在航天器研制初期對工藝裝備、工藝規(guī)程等進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì),及時發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計(jì)缺陷,縮短周期并降低研制費(fèi)用,尤其在航天器總裝工作正從研制模式向批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)換的現(xiàn)階段,具有借鑒意義。

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Applications of Digital Simulation Technology in GF-3 Satellite Assembly Optimization

ZHENG Peng1MENG Shaohua1ZHAO Shuping1LIU Jie2ZHANG Bin1XU Yiliu1ZHANG Lei1
(1 Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering,Beijing 100094,China)
(2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The SAR subsystem of GF-3 satellite with intensive of equipment is extremely complex,which is very difficult to be assembled and integrated．In this paper,digital simulation technology is applied to the key link of GF-3 satellite assembly process．Firstly,simulation model is developed including all assembly elements,such as operator,process equipment,etc．Then the feasibility analysis of the total assembly process scheme oriented to satellite quality control is carried out with the evaluation indices of the operation space and assembly view field．Based on the potential risk indentifaction from the key components of protection,redundancy control,visible assembly process,etc．,the assembly process plan is optimized to reduce the probability of occurrence of accident due to poor quality．Finally,the proposed technology is validated in SAR deployment test and assembly of electronic equipment．

GF-3 satellite;digital simulation;assembly optimization

2017-10-26;

2017-11-20

國家重大科技專項(xiàng)工程

鄭鵬,男,工程師,從事航天器總裝工藝設(shè)計(jì)與總裝計(jì)劃管理工作。Email:274511891＠qq．com。

V485

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.024

(編輯:李多)