張愛梅 張童 李娜 王娟 楊生

(1中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)(2北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京 100094)

硬X射線調(diào)制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星的主要有效載荷是望遠鏡,它由高能、中能和低能望遠鏡及主支撐結(jié)構(gòu)組成,主支撐結(jié)構(gòu)剛度、強度除滿足承載80多臺套產(chǎn)品外,重點是保障高能、中能和低能望遠鏡指向穩(wěn)定一致[1]。

按照HXMT衛(wèi)星總體規(guī)范要求,望遠鏡的質(zhì)量不大于1 t,經(jīng)反復(fù)輕量化設(shè)計,總質(zhì)量為970 kg,由鋁合金主支撐結(jié)構(gòu)承載高能、中能和低能望遠鏡的探測設(shè)備。按照科學(xué)目標要求,精度分解后[2],高能望遠鏡準直器的地面裝配指向精度應(yīng)不大于2′,中能、低能探測器機箱布局在主支撐結(jié)構(gòu)展開的懸臂位置,分別放置其內(nèi)的中能準直器和低能準直器指向精度要求為5′和6′,分配到主支撐結(jié)構(gòu)上,不僅要求面積為1900 mm×1655 mm的上板零件進行高精度加工,在主支撐結(jié)構(gòu)部件裝配為一體后,仍然要求上板安裝面保持超高精度,這對加工能力是極大的挑戰(zhàn)。為此,必須優(yōu)化設(shè)計方案,合理規(guī)劃工藝方案,力爭在傳統(tǒng)的加工能力基礎(chǔ)上實現(xiàn)目標精度。

本文闡述了主支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路,對設(shè)計方案和工藝方法進行研究,將二者有機結(jié)合,進行一體化設(shè)計,實現(xiàn)了HXMT衛(wèi)星望遠鏡科學(xué)目標要求。

1 主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

根據(jù)科學(xué)目標要求和衛(wèi)星規(guī)范要求,要保證高能、中能和低能望遠鏡指向一致,主支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)具備強度好、剛度高、質(zhì)量小、體積小和散熱好的性能。綜合上述要求,確定主支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求,即使用加工工藝性能好的輕質(zhì)金屬材料,進行輕量化設(shè)計,承力路徑上設(shè)計加強筋、支撐筒、支撐桿等結(jié)構(gòu)[3],構(gòu)成可靠穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)框架形式,保障高能、中能和低能望遠鏡的安裝面進行高精度加工的工藝可實現(xiàn)性,進行工藝、測量方法的研究和試驗,最終獲得高精度的主支撐結(jié)構(gòu),設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計思路Fig.1 Main supporting structure design idea

望遠鏡的設(shè)備組成見表1。要實現(xiàn)科學(xué)目標要求和衛(wèi)星規(guī)范要求,主支撐結(jié)構(gòu)需要在1900 mm×1655 mm的面積內(nèi)布局80多臺套產(chǎn)品,并保證高能、中能和低能望遠鏡指向一致。為此,主支撐結(jié)構(gòu)(見圖2)由上板、中板和下板3層結(jié)構(gòu)組成,通過支撐筒、支撐桿等連接,構(gòu)成保證望遠鏡設(shè)備精度的整體框架結(jié)構(gòu)。首先,設(shè)計鋁合金上板,將精度最高的高能準直器布局在中心區(qū)域,按照科學(xué)目標要求及輕量化要求進行緊密布局,中能和低能機箱分別布局在－Z和＋Z區(qū)域,并通過8組可調(diào)節(jié)支撐桿支撐;然后,考慮到上板與衛(wèi)星對接面之間需要高精度、高穩(wěn)定的剛性連接,設(shè)計了每個高能準直器局部分別支撐的方式,在18個高能準直器位置上分別設(shè)置支撐筒,而中心設(shè)計直接支撐星敏感器的支撐筒;最后,設(shè)計了高強度的中板作為與衛(wèi)星的對接結(jié)構(gòu),同時中板還承載高能主探測器探頭。望遠鏡的設(shè)備布局如圖3所示。

表1 望遠鏡設(shè)備組成Table 1 Telescope equipment composition

續(xù) 表

圖2 主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.2 Main supporting structure design

圖3 望遠鏡設(shè)備布局Fig.3 Layout of telescope equipments

1.2 設(shè)計難點及解決措施

主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點是在1900 mm×1655 mm的上板大平面上高精度實現(xiàn)并保持其穩(wěn)定性,設(shè)計難點如下。

(1)由于要布局的指向一致的望遠鏡設(shè)備共有28套,高精度面的面積較大,精度要求高,對數(shù)控加工能力是極大的挑戰(zhàn)。

(2)由于發(fā)射段力學(xué)振動環(huán)境嚴酷,如果結(jié)構(gòu)強度、剛度和精度穩(wěn)定性差,主支撐結(jié)構(gòu)將受到影響而引起高能、中能和低能望遠鏡的準直器和探測器的對準和指向精度變化,而結(jié)構(gòu)的高強度、高剛度和精度穩(wěn)定性與輕量化要求沖突,因此必須找到一個能夠平衡這些要求的設(shè)計方案。

針對以上設(shè)計難點,進行了如下對應(yīng)設(shè)計。

(1)將1900 mm×1655 mm的上板面進行細節(jié)設(shè)計,僅使設(shè)備安裝“足印”面突出在同一平面,減小加工面的面積,并進行多次小進給量切削,以滿足0.05 mm平面度要求,如圖4所示;其他非設(shè)備安裝接觸面,均下凹1 mm,適當降低精度要求,作為熱控散熱面并噴涂白漆,在最大限度地減小高精度面加工難度的情況下又設(shè)計出了最大面積的散熱面。

圖4 上板高精度面的設(shè)計Fig.4 Design for high precision surface of upper plate

(2)為增加強度、剛度和精度穩(wěn)定性,設(shè)計19個圓柱形支撐筒(如圖5所示)來連接上板和中板。工藝設(shè)計上,使每個支撐筒組件的端面平面度達到0.02 mm,1.3 m直徑的中板精度要求也相應(yīng)較高,安裝支撐筒的平面與衛(wèi)星對接面平行度達到0.06 mm。在集成為主支撐結(jié)構(gòu)后,對上板的高精度面進行整體銑削加工,將加工工藝與裝配工藝結(jié)合,從而滿足精度要求。

在此設(shè)計方案下,進行多次優(yōu)化和工藝試驗,主支撐結(jié)構(gòu)安裝完成,對上板＋X面組合加工后,在高精度平臺上用千分表連續(xù)打表測量上板基準(＋X)面平面度值,測量結(jié)果滿足0.05 mm的平面度要求。另外,根據(jù)科學(xué)目標對指向一致性要求,中能探測器機箱和低能探測器機箱均需要與高能準直器指向一致,因此在高精度上板和高剛度中板之間設(shè)計了8組支撐桿(見圖6),用來支撐和調(diào)平上板。這樣滿足了設(shè)備緊密布局、高能準直器與主探測器探頭上下對準安裝的要求,可實現(xiàn)中能探測器機箱和低能探測器機箱的指向精度要求,滿足衛(wèi)星總體對望遠鏡體積和輕量化的要求。

2 設(shè)計驗證

2.1 地面驗證

將高能、中能和低能望遠鏡按照安排的流程裝配到主支撐結(jié)構(gòu)上,在地面力、熱環(huán)境試驗前后進行同等溫度下的測量,得到高能、中能和低能望遠鏡準直器指向偏差的空間角度值,表2為試驗后指向精度測試值?？梢?主支撐結(jié)構(gòu)在承載高能、中能和低能望遠鏡所有儀器設(shè)備的狀態(tài)下和完成環(huán)境考驗后均能保持較好的精度。

表2 主支撐結(jié)構(gòu)承載望遠鏡儀器設(shè)備時的精度Table 2 Main supporting structure precision on loading equipments of telescope

2.2 在軌驗證

HXMT衛(wèi)星在軌測試過程中,對5次以上Crab天區(qū)掃描的數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計[4],校正系統(tǒng)誤差,對Crab真實位置和重建位置的差值結(jié)果進行比對[5-6],定位精度均滿足指標要求(如表3所示),驗證了望遠鏡在經(jīng)歷發(fā)射段力學(xué)環(huán)境考驗和在軌熱循環(huán)環(huán)境考驗后,仍然保持了良好的設(shè)備性能和定位精度,從而證明主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足科學(xué)目標對指向精度的要求。

表3 望遠鏡在軌定位精度要求及測試值Table 3 Telescope in-orbit pointing precision requirements and measuring results

3 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星望遠鏡主支撐結(jié)構(gòu)承載設(shè)備多、精度要求高,在有限的體積和質(zhì)量資源限定范圍內(nèi),還要滿足熱控和電纜布線的要求。本文對其主支撐結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,實現(xiàn)了在常規(guī)加工工藝能力范圍內(nèi)高精度的安裝面。望遠鏡主支撐結(jié)構(gòu)在地面環(huán)境試驗、發(fā)射段力學(xué)環(huán)境和在軌熱環(huán)境影響下,仍然能保證望遠鏡的精度要求,驗證了其設(shè)計的合理性。

參考文獻(References)

[1]張雙南．硬X射線調(diào)制望遠鏡——中國第一顆X射線天文衛(wèi)星[J]．物理,2017,46(6):341-347 Zhang Shuangnan．HXMT－the first X-ray astronomy satellite[J]．Physics,2017,46(6):341-347(in Chinese)

[2]吳石林,張玘．誤差分析與數(shù)據(jù)處理[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2010:97-115 Wu Shilin,Zhang Ji．Error analysis and data processing[M]．Beijing:Tsinghua University Press,2010:97-115(in Chinese)

[3]袁家軍．衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(上)[M]．北京:中國宇航出版社,2004:46-73 Yuan Jiajun．Satellite structure analysis and design(part 1)[M]．Beijing:China Astronautics Press,2004:46-73(in Chinese)

[4]Li Tipei,Wu Mei．A direct method for spectral and image restoration[C]//Proceedings of the Astronomical Data Analysis Software&Systems I．San Francisco:A．S．P．Conference Series,1992:229-231

[5]Li Tipei,Wu Mei．A direct restoration method for spectral and image analysis[J]．Astrophysics and Space Science,1993,206(1):91-102

[6]Li Tipei,Wu Mei．Reconstruction of objects by direct demodulation[J]．Astrophysics and Space Science,1994,215(2):213-227