洪斌 趙二鑫 李昂 張龍 張愛梅 楊生

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星于2017年6月成功發(fā)射,它以我國成熟的資源二號衛(wèi)星平臺為基礎,根據(jù)空間天文衛(wèi)星的特點進行適應性設計,應用我國20世紀90年代初創(chuàng)建的直接解調成像方法建造[1],是實現(xiàn)寬能區(qū)X射線巡天成像和定點觀測的我國首顆X射線天文衛(wèi)星[2]。HXMT衛(wèi)星望遠鏡包括高能、中能和低能望遠鏡,其對天觀測的任務特點,對衛(wèi)星軌道、運行時間、觀測模式、衛(wèi)星平臺等都提出了新的需求,也給衛(wèi)星的總裝設計及實現(xiàn)帶來了新的挑戰(zhàn)。

本文針對HXMT衛(wèi)星望遠鏡的特殊需求,在傳統(tǒng)對地遙感衛(wèi)星總裝設計的基礎上,研究了衛(wèi)星總裝的特點,提出了適應望遠鏡的總裝設計方案,可為我國未來X射線望遠鏡衛(wèi)星的總裝設計提供參考。

1 總裝特點分析

HXMT衛(wèi)星主要由對接段、服務艙、載荷艙、望遠鏡、遮陽板等5部分組成,如圖1所示。其中:服務艙及對接段繼承資源二號衛(wèi)星平臺設計;載荷艙和遮陽板為新設計,載荷艙是衛(wèi)星主結構的一部分,承載安裝望遠鏡和配套電子設備,遮陽板是根據(jù)望遠鏡熱控需求專門設計的一種特殊部件;望遠鏡為全新設計的有效載荷,其高能、中能和低能望遠鏡通過整體結構集成在一起,安裝在載荷艙上。

圖1 HXMT衛(wèi)星組成Fig.1 Composition of HXMT satellite

與傳統(tǒng)采用資源二號衛(wèi)星平臺的對地遙感衛(wèi)星相比,HXMT衛(wèi)星在總裝設計上具有以下特點。

(1)望遠鏡具有質量大、體積大、探測器數(shù)量多、電連接器分散的特點。18臺高能主探測器的電連接器在整個望遠鏡的正下方,6臺頂面反符合屏蔽探測器的電連接器在整個望遠鏡的正上方,與衛(wèi)星本體對接后,電纜需要在望遠鏡主結構上進行總裝,操作困難,風險大且周期長。

(2)衛(wèi)星采用對慣性空間定向的觀測模式,衛(wèi)星－Z面始終指向太陽,而中能、低能望遠鏡有低溫工作要求,為了避免太陽光直射到望遠鏡上,要減小望遠鏡的外熱流,因此總裝需要在衛(wèi)星－Z面安裝一塊遮陽板。

(3)高能、中能和低能望遠鏡通過記錄統(tǒng)計入射X射線光子轉換的電子數(shù),完成一次X射線光子實例的探測,雜散光會干擾正常光子計數(shù),給科學數(shù)據(jù)處理帶來極大困難。遮陽板比望遠鏡高,總裝需要對遮陽板的上邊緣和側邊緣進行特殊設計,才能滿足高能、中能和低能望遠鏡對雜散光的控制要求。

(4)高能望遠鏡選用復合晶體NaI(Tl)/CsI(Na)作為探測介質,中能望遠鏡選用Si-PIN探測器元件,低能望遠鏡選用CCD作為探測元件。高性能的探測器在衛(wèi)星全周期總裝過程中,需要由總裝提供良好的環(huán)境條件。

2 總裝設計與實現(xiàn)

HXMT衛(wèi)星望遠鏡在探測器規(guī)模、數(shù)量、地面總裝環(huán)境、在軌工作環(huán)境等方面都有較高的要求,總裝設計在繼承其他航天器成功經(jīng)驗的同時,充分分析望遠鏡的總裝特點,采用“化繁為簡”的思路,設計了HXMT衛(wèi)星望遠鏡的總裝方案,有效滿足了望遠鏡的總裝需求。

2.1 多種探測器電接口集成優(yōu)化設計與實現(xiàn)

望遠鏡組成如圖2所示。高能望遠鏡共有78臺(套)設備,包含18套高能主探測器、18臺高能準直器和標定探頭、6臺頂面反符合屏蔽探測器、12臺側面反符合屏蔽探測器、3臺粒子監(jiān)測器和3臺在軌標定轉接盒。中能、低能望遠鏡各3套設備。84臺(套)設備安裝在一個主支撐結構上,結構緊湊、集成度高,機械接口清晰明確,但是望遠鏡的高度集成化,也導致了各探測器電連接器分散在望遠鏡的各個方向上。經(jīng)統(tǒng)計,整個望遠鏡的電連接器數(shù)量達到了93個。

圖2 望遠鏡組成Fig.2 Composition of telescope

根據(jù)衛(wèi)星構型布局設計方案,望遠鏡通過中板法蘭安裝在載荷艙承力筒上,18臺高能主探測器在載荷艙承力筒內部,其他探測器在承力筒外部。望遠鏡安裝后,艙外的探測器電纜將由各個探測器以“星”形向外擴展布局到望遠鏡主支撐結構中板,再沿支撐桿到載荷艙上,承力筒內的高能主探測器電纜只能在望遠鏡下板布局,經(jīng)承力筒開口到艙內電子學設備。這種設計給總裝帶來極大的困難:①對于艙外的探測器來說,望遠鏡安裝后,電纜通過支撐桿,探測器之間的間隙綁扎固定,操作極其不便,各探測器信號容易產(chǎn)生相互干擾,同時電纜對熱控散熱面也有不同程度的遮擋。②對于承力筒內的高能主探測器來說,望遠鏡安裝后,需要到承力筒內去安裝插接電纜,兩艙對接后,望遠鏡基本無法拆裝。③望遠鏡一次安裝或拆卸時間不少于一周,極大地影響了科研生產(chǎn)效率。

基于此,本文對望遠鏡分散的電接口設計狀態(tài)進行了集中布局優(yōu)化設計,將望遠鏡艙外部分的電連接器集中布局在望遠鏡主支撐結構上板下表面的4個插頭支架上,承力筒內高能主探測器的電連接器通過增加延長電纜布局到承力筒操作口處。同時,有效載荷設計師將望遠鏡電接點進行了合并處理,總裝設計師對電連接器布局進行了優(yōu)化,望遠鏡電連接器的數(shù)量由93個減少到45個,數(shù)量減少了51.6%。當望遠鏡拆裝時,只需要將高能主探測器電纜與電子設備斷開,經(jīng)載荷艙承力筒操作口放入艙內。分別插接或斷開艙外4個電纜支架及中能、低能望遠鏡上的電連接器,望遠鏡即可實現(xiàn)安裝或拆卸,總裝時間不超過1天,科研生產(chǎn)效率得到了顯著提高。圖3為望遠鏡電連接器優(yōu)化設計結果。表1為望遠鏡電接口優(yōu)化前后電連接器數(shù)量對比。

圖3 望遠鏡電連接器優(yōu)化設計結果Fig.3 Optimization results of telescope electrical connectors

表1 望遠鏡電連接器優(yōu)化前后對比Table 1 Contrast of telescope electrical connectors before and after optimization

2.2 望遠鏡外熱流抑制總裝設計與實現(xiàn)

一般來說,空間天文衛(wèi)星大多通過遮陽裝置避免有效載荷受到太陽光直射,減少外熱流對有效載荷的影響,保證有效載荷的低溫工作環(huán)境?！罢材匪?韋伯”空間望遠鏡(JWST)配置了可展開式遮陽屏保證有效載荷在軌低溫工作要求[3];美國的“錢德拉”(Chandra)衛(wèi)星配置了可展開圓形遮陽板,發(fā)射時收攏保證望遠鏡不受污染,在軌展開后確保望遠鏡不受太陽光直射[4];歐洲的“牛頓”(XMM-Newton)衛(wèi)星通過固定式遮陽結構保證望遠鏡不受太陽光直射[5]。

HXMT衛(wèi)星中能、低能望遠鏡同樣具有低溫工作要求(中能望遠鏡－50～－5℃,低能望遠鏡－80～－42℃),且外熱流變化復雜。為避免望遠鏡受到太陽光直射,減小外熱流對望遠鏡的影響,總裝在衛(wèi)星－Z側設置安裝了一塊矩形碳纖維復合材料結構的固定式遮陽板。受整流罩空間限制,遮陽板包絡尺寸設計為2100 mm×1500 mm,可確保望遠鏡在太陽光與衛(wèi)星YOZ面±20°、與衛(wèi)星XOZ面夾角±11°時免受太陽光直射。外表面包覆多層隔熱組件,降低本體輻射,進一步保證望遠鏡低溫工作環(huán)境。同時,矩形遮陽板構型方式簡單,易加工,多層隔熱組件實施方便,簡化了生產(chǎn)、總裝測試周期。

2.3 望遠鏡雜散光消除總裝設計與實現(xiàn)

望遠鏡在工作時,除了接收到正常的X射線光子外,還會受到星光、地球或衛(wèi)星本體的反射光等雜散光的干擾。雜散光的來源主要包括外雜光和內雜光兩類。外雜光主要是視場外的太陽光經(jīng)遮陽板和望遠鏡結構形成的雜散光。內雜光指望遠鏡結構和遮陽板的自發(fā)輻射直接或經(jīng)結構散射到望遠鏡形成的雜散光。雜散光進入望遠鏡視場,會影響正常電信號的產(chǎn)生,嚴重時將無法處理觀測數(shù)據(jù),造成觀測失敗。為此,消雜光設計一直是望遠鏡研究和設計的重點,中能、低能望遠鏡通過設備遮光罩來消除雜散光的影響。同時,衛(wèi)星遮陽板也需要特殊設計,以抑制雜散光進入望遠鏡視場。

文獻[6]中介紹了光學系統(tǒng)雜散光的消除方法,提出要特別關注關鍵表面和被照射表面,盡量減小它們被照射的面積。文獻[7]中介紹了衛(wèi)星表面物質反射光對太陽敏感器的影響,認為在敏感器視場內盡量選擇反射率低的熱控材料(如黑膜),以顯著降低衛(wèi)星本體反射光對太陽敏感器的影響。基于上述思路,本文從抑制外雜光和內雜光兩個方面提出遮陽板總裝控制措施。①根據(jù)衛(wèi)星多種飛行姿態(tài)時的太陽最大偏置角,對遮陽板邊緣進行切邊處理,減小太陽光在遮陽板邊緣的反射面積,如圖4所示。②采用反射率低的黑色多層隔熱材料對遮陽板邊緣進行包覆,消除內雜光對望遠鏡的影響,達到抑制雜散光的目的。經(jīng)過1年多的飛行驗證,望遠鏡在軌運行穩(wěn)定,說明遮陽板消雜光控制措施合理有效。

圖4 遮陽板消雜光設計Fig.4 Elimination design of stray light

2.4 望遠鏡總裝全周期環(huán)境保障設計與實現(xiàn)

HXMT衛(wèi)星望遠鏡采用高精度、高靈敏度的科學探測儀器,尤其是中能望遠鏡含有CCD器件,環(huán)境靈敏度高,對全周期總裝環(huán)境提出了更高的要求。

(1)中能望遠鏡相對濕度必須控制在30%～50%。

(2)望遠鏡結構復雜,器件敏感,望遠鏡表面熱控涂層在交付前均已實施到位,地面長期總裝測試過程中需要采取防護措施,對望遠鏡及表面熱控涂層進行保護。

(3)望遠鏡潔凈度要求高,尤其在運輸時,要求各種氣、液污染物沒有大于20 nm的微小顆粒。

一般來說,航天器控制分系統(tǒng)敏感器或活動部件有較高的地面環(huán)境控制要求,如地球敏感器、太陽翼驅動機構等要求地面存儲濕度控制在30%～50%,總裝大廳環(huán)境潔凈度要求達到100 000級。在地面總裝過程中,通過設計除濕加熱回路實現(xiàn)濕度控制。對于環(huán)境要求更高、結構更復雜的HXMT衛(wèi)星望遠鏡,總裝從以下3個方面進行特殊設計,以滿足望遠鏡的需求。

(1)從圖2可以看出,HXMT衛(wèi)星望遠鏡設備多而密集,熱控要求高,裝配流程復雜,難以實施地面除濕加熱回路。針對該特點,為中能望遠鏡設計了特殊除濕工裝,如圖5所示。該工裝由干燥劑盒和轉接板組成,要求每天對干燥劑盒內溫濕度進行監(jiān)測和記錄,每月更換一次干燥劑,有效保證了中能望遠鏡的濕度要求。

圖5 中能望遠鏡濕度控制工裝Fig.5 Humidity control tooling of medium energy telescope

(2)針對中能、低能望遠鏡分別設計了防污染保護罩(分為硬罩和軟罩2種)。在地面總裝測試過程中,安裝硬罩保護設備及熱控涂層不被磕碰;在運輸過程中,安裝軟罩防止污染物進入望遠鏡內部。

(3)針對潔凈度要求高的特點,制定專項運輸方案,在裝箱前、裝箱后、公路運輸、空運等各個環(huán)節(jié)都有嚴格的控制措施。尤其在空運時,為防止包裝箱打開氣壓平衡口后造成包裝箱內環(huán)境不可控的狀態(tài),專門設計了氣壓平衡口過濾窗,既能滿足氣壓平衡口空氣的流通率,又能達到望遠鏡防污染要求。

3 結束語

本文分析總結了HXMT衛(wèi)星總裝特點,介紹了適應其望遠鏡的總裝方案,有效滿足了望遠鏡的總裝技術需求。對多種探測器的電接口進行集成優(yōu)化設計,電連接器數(shù)量由93個減少到45個,同時總裝時間也從1周減少到1天,總裝效率顯著提高。本文設置安裝了一種可抑制外熱流的特殊部件——遮陽板。對遮陽板的邊緣進行特殊設計,從外雜光和內雜光兩方面提出了抑制措施,有效地抑制了雜散光對望遠鏡性能的影響。在總裝全周期進行了環(huán)境保障設計及實現(xiàn),結果表明:總裝設計方案簡單,可操作性強,能有效滿足HXMT衛(wèi)星望遠鏡的需求。以上HXMT衛(wèi)星望遠鏡的總裝經(jīng)驗,可為未來由多種探測器組成的空間天文衛(wèi)星的總裝設計及實施提供參考。

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