張玲 王騰 張歡 高行素 羅文波 祖家國(guó) 范立佳

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094) (2 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始，世界遙感衛(wèi)星技術(shù)經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。以艾科諾斯(IKONOS)衛(wèi)星、快鳥(niǎo)(QuickBird)衛(wèi)星、地球之眼(GeoEye-1)衛(wèi)星、世界觀測(cè)(WorldView-1/2)系列衛(wèi)星等為代表的一系列高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的成功和廣泛應(yīng)用[2]，全面推動(dòng)了人類(lèi)航天遙感技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。綜合研究國(guó)外先進(jìn)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)功能不斷完備，性能指標(biāo)不斷提升，具有快速敏捷機(jī)動(dòng)能力的高分辨率遙感衛(wèi)星是目前發(fā)展的主要趨勢(shì)，具有典型代表意義的是QuickBird、WorldView-1/2，及其所采用的探路者太空偵察衛(wèi)星(BCP)系列平臺(tái)。BCP平臺(tái)是美國(guó)Ball Aerospace & Technologies公司為商用遙感開(kāi)發(fā)的系列化遙感衛(wèi)星平臺(tái)，其中，BCP-2000是為光學(xué)成像遙感開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，BCP-4000是為合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像遙感開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，而B(niǎo)CP-5000是為更高性能的光學(xué)和微波遙感開(kāi)發(fā)的下一代遙感衛(wèi)星平臺(tái)。

資源平臺(tái)是我國(guó)第一代傳輸遙感衛(wèi)星平臺(tái)，來(lái)源于資源一號(hào)衛(wèi)星和資源二號(hào)衛(wèi)星。2007年將資源一號(hào)衛(wèi)星和資源二號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)整合為中等規(guī)模的遙感衛(wèi)星平臺(tái)，命名為資源平臺(tái)，同時(shí)確定了資源平臺(tái)基線(xiàn)及其產(chǎn)品配置，資源平臺(tái)的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)子型TTS-1和TTS-2。

為了提升我國(guó)遙感衛(wèi)星平臺(tái)能力，使我國(guó)遙感衛(wèi)星平臺(tái)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，滿(mǎn)足我國(guó)未來(lái)遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的需求，需要研制新一代遙感衛(wèi)星平臺(tái)，同時(shí)在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)方面也要取代我國(guó)資源一號(hào)、二號(hào)遙感衛(wèi)星平臺(tái)，目前資源衛(wèi)星平臺(tái)是為滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)特定的任務(wù)需求開(kāi)發(fā)，并經(jīng)過(guò)推廣應(yīng)用而形成的，平臺(tái)產(chǎn)品缺乏統(tǒng)一的需求分析和規(guī)劃，公用性和互換性不強(qiáng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“公用”。新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)是充分考慮后續(xù)任務(wù)需求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)平臺(tái)及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，發(fā)揮結(jié)構(gòu)平臺(tái)的通用化、模塊化、結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、高承載、周期短、低成本、快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，后續(xù)直接選用平臺(tái)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)貨架式采購(gòu)，快速指導(dǎo)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星研制管理的新模式。

本文針對(duì)新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案、力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行了描述，最后對(duì)研制成果進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)后續(xù)型號(hào)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 結(jié)構(gòu)構(gòu)型特點(diǎn)和設(shè)計(jì)需求

通過(guò)總體構(gòu)型布局設(shè)計(jì)，新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)頂部光學(xué)相機(jī)載荷的布局需求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求具有以下特點(diǎn)。

(1)模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)備艙、服務(wù)艙、推進(jìn)模塊、控制力矩陀螺(CMG)模塊、太陽(yáng)翼模塊等可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立加工及部裝，并行開(kāi)展，縮短研制周期。

(2)高剛、高穩(wěn)+小慣量的平臺(tái)結(jié)構(gòu)布局。采用四立柱+艙板的結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)了傳力簡(jiǎn)單、高剛度的平臺(tái)設(shè)計(jì)。

(3)并聯(lián)隔振理念。CMG群集成布局，使并聯(lián)隔振理念得以實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星對(duì)一體化CMG支架提出頻率設(shè)計(jì)要求，并聯(lián)隔振裝置效果提出明確要求。

(4)載荷-平臺(tái)的高穩(wěn)定性匹配設(shè)計(jì)。相機(jī)與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射鎖定-在軌解鎖，降低平臺(tái)對(duì)相機(jī)的在軌熱穩(wěn)定性影響。

多用途遮光罩理念貫徹。針對(duì)大口徑相機(jī)，多用途遮光罩實(shí)現(xiàn)雜光抑制+天線(xiàn)、輔助載荷安裝，對(duì)防護(hù)罩加工精度及輕量化設(shè)計(jì)提出新要求(見(jiàn)圖1)。

圖1 衛(wèi)星在軌狀態(tài)Fig.1 Satellite in orbit

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)平臺(tái)具有通用化、模塊化、結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、高承載、高穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，下文對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了描述。

2.1 主要構(gòu)型配套及組成

平臺(tái)主結(jié)構(gòu)外形尺寸為1400 mm×1400 mm×2330 mm，由服務(wù)艙結(jié)構(gòu)、設(shè)備艙結(jié)構(gòu)組成，兩艙可獨(dú)立部裝和總裝，兩艙分別由4根主承力柱、4套V型背架和結(jié)構(gòu)板組成，服務(wù)艙內(nèi)含有推進(jìn)結(jié)構(gòu)模塊、CMG支撐結(jié)構(gòu)及減隔振裝置(見(jiàn)圖2)。

圖2 衛(wèi)星模塊化構(gòu)成Fig.2 Platform modular structure

2.2 模塊化設(shè)計(jì)

載荷艙和服務(wù)艙采用模塊化設(shè)計(jì)，兩艙結(jié)構(gòu)獨(dú)立，具備獨(dú)立的裝配和維形功能，無(wú)論是部裝階段還是總裝階段，兩艙均可獨(dú)立操作實(shí)施，將多項(xiàng)串行工作改為并行，極大地提高了裝配和操作效率。

高分多模衛(wèi)星的模塊化設(shè)計(jì)還體現(xiàn)在對(duì)不同載荷和承載方式的適應(yīng)性上，不需要對(duì)兩艙之間的連接方式進(jìn)行更改，僅對(duì)每個(gè)艙體自身進(jìn)行適應(yīng)性修改，即可滿(mǎn)足不同載荷、不同安裝方式和承載方式的要求。

2.3 主承力柱設(shè)計(jì)

主承力柱是整星結(jié)構(gòu)的主承力結(jié)構(gòu)，采用鋁合金機(jī)加成形，截面采用梯形。

主承力柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以5 mm的截面尺寸，達(dá)到了整星4 t的承載需求。兩艙主承力柱之間的連接采用了承力、精度保持的一體化設(shè)計(jì)，既滿(mǎn)足了力學(xué)和裝配要求，又簡(jiǎn)化了裝配和連接操作。

2.4 載荷適配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載荷適配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是根據(jù)有效載荷的布局開(kāi)展的，衛(wèi)星通過(guò)載荷適配結(jié)構(gòu)主要與相機(jī)有效載荷連接，載荷適配結(jié)構(gòu)采用2A12鋁合金機(jī)加制造，尺寸為1400 mm×1400 mm的方形結(jié)構(gòu)。

為滿(mǎn)足高分多模相機(jī)為尺寸穩(wěn)定性和微振動(dòng)抑制需求[3]，載荷適配結(jié)構(gòu)與相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聯(lián)合一體化設(shè)計(jì)，解決了主動(dòng)段分布力到集中力的受力傳遞問(wèn)題，結(jié)構(gòu)與相機(jī)之間熱變形匹配與釋放問(wèn)題，微振動(dòng)頻率合理分配問(wèn)題，保證了相機(jī)的在軌尺寸穩(wěn)定性性能和微振動(dòng)傳遞的抑制。

2.5 CMG支架設(shè)計(jì)

CMG設(shè)備通過(guò)CMG支架與減隔振裝置連接，通過(guò)并聯(lián)隔振裝置把CMG的載荷傳遞給4根主承力柱，CMG支架底板和五棱支架由2A12鋁合金機(jī)加制造及整體焊接成型。CMG通過(guò)CMG支架采用集群式安裝，具有占用空間小，減隔振設(shè)計(jì)效率高的特點(diǎn)。

CMG支架承擔(dān)了整星的主要微振動(dòng)抑制功能，為此，對(duì)其頻率分配進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體完成了兩方面的工作。

1)CMG支架與整星之間的頻率匹配

整星1階橫向固有頻率為14 Hz左右，縱向和橫向二階固有頻率為40 Hz左右，姿控對(duì)CMG支架的頻率要求是不能低于10 Hz，為此，需要將CMG支架的整體頻率設(shè)計(jì)在14 Hz與40 Hz之間，同時(shí)，為保證在軌減隔振效果，其頻率應(yīng)該盡量低。通過(guò)在阻尼筒與主承力柱之間增加柔性鉸鏈以及對(duì)阻尼筒剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終CMG支架在整星下局部安裝模態(tài)為24 Hz左右。既保證了在軌的減隔振性能，又滿(mǎn)足了主動(dòng)段承載需求。

2)支架局部模態(tài)與CMG旋轉(zhuǎn)頻率的規(guī)避

為避免支架自身各階固有頻率與CMG旋轉(zhuǎn)頻率重合引起局部共振，在支架的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)支架CMG安裝局部的支架壁厚，加筋位置，都進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，并最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了頻率設(shè)計(jì)的合理性。

2.6 星敏感器支架設(shè)計(jì)

基于高分多模衛(wèi)星星敏感器高精度指向穩(wěn)定性要求的背景，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種高熱穩(wěn)定復(fù)合材料星敏感器支架。針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)易受工藝影響的問(wèn)題，通過(guò)分解和優(yōu)化成型工藝，極大地降低了工藝對(duì)尺寸穩(wěn)定性性能的影響。建立了有限元模型，并通過(guò)熱變形試驗(yàn)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了修正，最終的分析以及在軌飛行驗(yàn)證表明，星敏感器指向滿(mǎn)足要求。

2.7 并聯(lián)隔振裝置設(shè)計(jì)

并聯(lián)隔振裝置由8根隔振桿組成。采用8根含隔振器的金屬桿的安裝方式，將CMG支架同服務(wù)艙相連接。阻尼桿一端同服務(wù)艙結(jié)構(gòu)的立柱相連接，另一端和CMG結(jié)構(gòu)模塊的支架相連接。

隔振桿中安裝有微動(dòng)隔振器，微動(dòng)隔振器具有大阻尼微行程的特點(diǎn)，在主動(dòng)段，CMG支架組合體的響應(yīng)主要通過(guò)微動(dòng)隔振器抑制。這樣，通過(guò)阻尼、剛度的匹配設(shè)計(jì)，并聯(lián)隔振裝置就具備了主動(dòng)段承載，在軌減隔振的雙重功能，極大的優(yōu)化了減隔振設(shè)計(jì)的性能。

2.8 先進(jìn)點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

1)可適應(yīng)多種載荷布局的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)通用化設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)計(jì)不同的載荷適配結(jié)構(gòu)，可滿(mǎn)足不同類(lèi)型載荷的布局安裝要求。

(1)頂置安裝大型光學(xué)相機(jī)。相機(jī)通過(guò)主鏡支撐框安裝在位于平臺(tái)頂部的(平面的)平臺(tái)/載荷適配結(jié)構(gòu)上，相機(jī)后鏡身沉入平臺(tái)內(nèi)部，最大程度降低相機(jī)安裝高度和減小衛(wèi)星規(guī)模，為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)/衛(wèi)星的敏捷機(jī)動(dòng)能力創(chuàng)造條件。

(2)頂置安裝多臺(tái)光學(xué)相機(jī)。相機(jī)通過(guò)(立體的)平臺(tái)/載荷適配結(jié)構(gòu)安裝在平臺(tái)頂部，該適配結(jié)構(gòu)具有很好的空間熱穩(wěn)定性，保證相機(jī)間精確的安裝幾何關(guān)系。

(3)頂置安裝多臺(tái)微波載荷。微波載荷通過(guò)空間形態(tài)的載荷適配結(jié)構(gòu)安裝在平臺(tái)頂部。

(4)側(cè)置安裝大型合成孔徑雷達(dá)(SAR)載荷。SAR天線(xiàn)通過(guò)加強(qiáng)梁式載荷適配結(jié)構(gòu)安裝在平臺(tái)側(cè)面。

2)“四立柱+板架式”結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)為“四立柱+板架式”新型構(gòu)型，設(shè)備艙模塊、服務(wù)艙模塊的上下接口設(shè)計(jì)一致，可實(shí)現(xiàn)互換，根據(jù)不同模塊需求，只需要改變構(gòu)型尺寸參數(shù)即可快速指導(dǎo)設(shè)計(jì)，各模塊可并行投產(chǎn)，成為“貨架式”結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，并且模塊之間可獨(dú)立開(kāi)展工作，相互不影響，優(yōu)化整個(gè)研制流程。

3)形式簡(jiǎn)單高承載能力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，利用簡(jiǎn)單鋁合金柱子、背架及蜂窩板組合而成，工藝成型簡(jiǎn)單穩(wěn)定，成本低，大大縮短了整個(gè)研制周期；衛(wèi)星結(jié)構(gòu)還具有高承載能力，承載能力可拓展到4～5 t，具有較廣泛的應(yīng)用范圍。

4)具有高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)總體的在軌尺寸穩(wěn)定性要求，開(kāi)展了整星級(jí)的尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)率先完成整星全壽命上千工況的在軌熱變形分析工作，開(kāi)展了國(guó)內(nèi)首次整星艙段級(jí)和部件級(jí)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)，在尺寸穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證各方面，均進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究工作。

5)一體化CMG減隔振設(shè)計(jì)

以CMG支架為裝配主體，將全部CMG一體化集成安裝，通過(guò)減隔振裝置與整星主結(jié)構(gòu)連接，既解決了主動(dòng)段承載問(wèn)題，也解決了在軌的CMG微振動(dòng)擾動(dòng)抑制問(wèn)題，達(dá)到了減隔振設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔高效的效果，是目前國(guó)內(nèi)首個(gè)集主動(dòng)段承載和在軌減隔振功能為一體的裝置。

3 總裝設(shè)計(jì)

高分多模衛(wèi)星采用新一代中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)，相對(duì)傳統(tǒng)筒殼結(jié)構(gòu)衛(wèi)星，總裝設(shè)計(jì)具有很多不同的特點(diǎn)，布局更緊湊，模塊化水平更高?？傃b設(shè)計(jì)也為未來(lái)大中型遙感衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)帶來(lái)一定啟示。為了滿(mǎn)足越來(lái)越密集的衛(wèi)星發(fā)射需求，模塊化、獨(dú)立并行總裝與測(cè)試，是未來(lái)提高研制效率的有效手段；三維數(shù)字化的總裝設(shè)計(jì)與協(xié)同，是遙感衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)有數(shù)字化工具的完善與發(fā)展也是目前的迫切需求；未來(lái)遙感衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)，應(yīng)充分利用機(jī)械臂等新型地面設(shè)備的發(fā)展成果，轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。下文就總裝設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行了說(shuō)明。

3.1 平臺(tái)模塊化總裝設(shè)計(jì)

1)艙段模塊

衛(wèi)星按艙段分為服務(wù)艙和設(shè)備艙兩部分。兩艙可獨(dú)立總裝，并行開(kāi)展，提高總裝效率。

2)CMG模塊

CMG模塊(包括CMG、CMG支撐結(jié)構(gòu)、并聯(lián)隔振裝置)安裝于服務(wù)艙的內(nèi)部。

CMG模塊可實(shí)現(xiàn)CMG群的獨(dú)立總裝測(cè)試，包括單臺(tái)CMG安裝，電纜敷設(shè)，安裝精度測(cè)試等，完成后通過(guò)CMG模塊支架車(chē)將CMG模塊安裝到位。

3)推進(jìn)模塊管路焊裝

管路焊裝工作過(guò)程可以為3個(gè)階段，分別為管閥件焊裝階段、肼瓶焊裝階段和兩艙組合體焊裝方案。推進(jìn)模塊設(shè)計(jì)有可翻轉(zhuǎn)停放支架車(chē)，可實(shí)現(xiàn)肼瓶板360°旋轉(zhuǎn)。調(diào)整貯箱總裝順序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有焊縫的雙方向探傷。具體流程如下。

經(jīng)過(guò)總體構(gòu)型布局設(shè)計(jì)，推進(jìn)模塊為獨(dú)立模塊?？蓪?shí)現(xiàn)管路焊裝并行開(kāi)展，大大縮短研制周期。管焊工作分為3個(gè)階段，包括管閥件焊裝階段、肼瓶焊裝階段和兩艙組合體焊裝。推進(jìn)模塊設(shè)計(jì)有可翻轉(zhuǎn)停放支架車(chē)，可實(shí)現(xiàn)肼瓶板360°旋轉(zhuǎn)，增加焊裝操作可達(dá)性。優(yōu)化貯箱總裝流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有焊縫的雙方向探傷。

4)太陽(yáng)翼模塊

太陽(yáng)翼模塊，采取單機(jī)并行研制，在力學(xué)試驗(yàn)前交付總裝。太陽(yáng)翼采用整星水平狀態(tài)裝星與展開(kāi)測(cè)試。針對(duì)二維二次展開(kāi)太陽(yáng)翼[4]，優(yōu)化吊掛設(shè)計(jì)，取消配重，模擬無(wú)重力環(huán)境。

3.2 載荷總裝設(shè)計(jì)

1)高分相機(jī)總裝

高分相機(jī)作為衛(wèi)星主載荷，位于衛(wèi)星頂部，其與衛(wèi)星通過(guò)柔性適配裝置連接。柔性適配裝置由剛性解鎖裝置與振動(dòng)抑制裝置組成。高分相機(jī)與平臺(tái)之間有電纜連接，平臺(tái)為其提供散熱面安裝基礎(chǔ)。高分相機(jī)對(duì)外為星敏感器提供安裝基礎(chǔ)。

高分相機(jī)質(zhì)量體積大，幾何外形復(fù)雜，對(duì)外機(jī)電熱物理接口多。為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采取下沉安裝，帶來(lái)總裝實(shí)施操作難度和風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)一系列精細(xì)化的總裝設(shè)計(jì)與流程策劃，降低了總裝實(shí)施難度和操作風(fēng)險(xiǎn)。

高分相機(jī)總裝順序依次為起吊柔性適配裝置至載荷適配結(jié)構(gòu)，落至合適位置插接火工電纜；下落柔性適配裝置至衛(wèi)星載荷適配結(jié)構(gòu)，通過(guò)預(yù)留操作孔安裝緊固件。

高分相機(jī)完成相關(guān)在相機(jī)本體的電纜綁扎和熱控實(shí)施，起吊高分相機(jī)本體安裝至柔性適配裝置。安裝過(guò)程中，從平臺(tái)兩處操作口引出相機(jī)電纜，在艙內(nèi)綁扎固定。

為了實(shí)現(xiàn)相機(jī)安裝精度。相機(jī)與柔性適配裝置作為組合體與平臺(tái)通過(guò)模板配打完成安裝接口加工。柔性適配裝置與相機(jī)、衛(wèi)星平臺(tái)均通過(guò)定位銷(xiāo)保證安裝精度。

2)多用途相機(jī)防護(hù)罩組合體總裝

多用途相機(jī)防護(hù)罩上布局有大氣同步等多個(gè)設(shè)備，為主相機(jī)提供雜光抑制功能，同時(shí)為主相機(jī)散熱面提供安裝面。

相機(jī)防護(hù)罩總裝順序?yàn)榈孛姘惭b大氣同步校正儀等設(shè)備，降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；起吊相機(jī)防護(hù)罩，通過(guò)安裝導(dǎo)向桿定位，降低安裝過(guò)程的磕碰風(fēng)險(xiǎn)。

為實(shí)現(xiàn)相機(jī)防護(hù)罩與相機(jī)的同軸精度，保證重復(fù)安裝精度。相機(jī)與防護(hù)罩安裝于平臺(tái)載荷適配結(jié)構(gòu)[5-8]。通過(guò)整體加工，實(shí)現(xiàn)相機(jī)防護(hù)罩與相機(jī)接口的共基準(zhǔn)。相機(jī)防護(hù)罩與平臺(tái)間設(shè)置定位銷(xiāo)，保證重復(fù)安裝精度。

為實(shí)現(xiàn)相機(jī)散熱面與熱管的最小應(yīng)力安裝。相機(jī)熱管側(cè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接板，完成熱管在轉(zhuǎn)接板上的整體固定。相機(jī)散熱面與相機(jī)防護(hù)罩的安裝通過(guò)L型支架，支架采取兩個(gè)方向的長(zhǎng)腰孔設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)熱管安裝的雙向調(diào)整，降低熱管安裝應(yīng)力(見(jiàn)圖3)。

圖3 多用途相機(jī)防護(hù)罩Fig.3 Multi-purpose camera protective cover

3.3 平臺(tái)通用總裝設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備布局設(shè)計(jì)，平臺(tái)電子設(shè)備采用外掛安裝，極大增加總裝操作便捷性。但蓄電池、電源控制器(PCU)設(shè)備體積大、質(zhì)量重，常規(guī)的安裝方案均為采用吊裝或吊裝+翻轉(zhuǎn)的方式安裝，使用機(jī)械臂輔助裝配系統(tǒng)進(jìn)行裝配，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)安裝，并降低吊裝、翻轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 總裝實(shí)施

衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)通過(guò)三維數(shù)字化等手段進(jìn)行了前期的設(shè)計(jì)與仿真模擬，正樣總裝實(shí)施階段進(jìn)行充分驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：高分多模衛(wèi)星所有總裝操作實(shí)施，可達(dá)性好，流程安排合理，相關(guān)設(shè)備安裝精度、接地等總裝測(cè)試結(jié)果均滿(mǎn)足要求。衛(wèi)星于2020年7月3日順利發(fā)射，在軌工作一切正常。

3.5 先進(jìn)性與創(chuàng)新點(diǎn)

1)模塊化構(gòu)型設(shè)計(jì)提高了大中型遙感衛(wèi)星模塊化部裝與總裝水平

各模塊接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷，精度保持良好，艙段對(duì)接實(shí)現(xiàn)便捷。在傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星模塊劃分基礎(chǔ)上，增加了CMG模塊、推進(jìn)模塊，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立總裝測(cè)試，提高總裝效率，促進(jìn)研制流程優(yōu)化。

2)通過(guò)精細(xì)化總裝設(shè)計(jì)完成了大口徑主載荷高穩(wěn)匹配設(shè)計(jì)的總裝

衛(wèi)星高分相機(jī)規(guī)模大，接口復(fù)雜，圍繞相機(jī)的布局同時(shí)保證高穩(wěn)、高精、小慣量等設(shè)計(jì)目標(biāo)，帶來(lái)總裝操作難度和風(fēng)險(xiǎn)的幾何級(jí)上升。包括相機(jī)下沉安裝帶來(lái)的操作空間受限，散熱面的安裝應(yīng)力釋放，柔性適配裝置的復(fù)雜功能集成等，通過(guò)專(zhuān)題攻關(guān)的精細(xì)化總裝設(shè)計(jì)，流程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了大口徑相機(jī)高穩(wěn)匹配設(shè)計(jì)的完美實(shí)施，為后續(xù)相關(guān)大口徑相機(jī)總裝積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

3)實(shí)現(xiàn)了大中型遙感衛(wèi)星的全方位三維總裝設(shè)計(jì)

作為數(shù)字化衛(wèi)星研制試點(diǎn)，高分多模衛(wèi)星從部裝到總裝實(shí)現(xiàn)了總體-熱控-結(jié)構(gòu)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)。設(shè)備布局，管路設(shè)計(jì)、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)、熱管布局、總裝開(kāi)孔、工裝設(shè)計(jì)等，全部實(shí)現(xiàn)整星三維模型下的協(xié)同設(shè)計(jì)，大大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。采用三維模型下廠(chǎng)部裝與總裝，替代傳統(tǒng)二維圖紙打通了廠(chǎng)所協(xié)同。整星三維模裝功能，對(duì)電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)、管路設(shè)計(jì)、干涉檢查等空間復(fù)雜設(shè)計(jì)，提高迭代設(shè)計(jì)效率，全模型設(shè)計(jì)的有效驗(yàn)證保證了整星一步正樣總裝設(shè)計(jì)的正確性。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究需要完成分析驗(yàn)證及多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，下文針對(duì)新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行了描述，最后對(duì)研制成果進(jìn)行了總結(jié)。

4.1 分析驗(yàn)證

承載光學(xué)載荷的整星質(zhì)量2350 kg，質(zhì)心高度1645 mm。主承力柱、載荷適配結(jié)構(gòu)、蜂窩板、肼瓶支架、CMG模塊支架、太陽(yáng)翼等使用板殼元模擬，背架使用梁元模擬，所有艙板之間的連接使用梁?jiǎn)卧M。整星橫向一階固有頻率14.5 Hz，扭轉(zhuǎn)一階固有頻率26.6 Hz，縱向一階固有頻率約46.8 Hz，均滿(mǎn)足總體要求。

4.2 整星結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)

整星結(jié)構(gòu)的靜力試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，考核結(jié)構(gòu)在發(fā)射載荷及起吊載荷下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

整星結(jié)構(gòu)平臺(tái)順利通過(guò)驗(yàn)收級(jí)和鑒定級(jí)試驗(yàn)，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足發(fā)射載荷下整星承載3000 kg，質(zhì)心高度2000 mm配置的靜強(qiáng)度要求；通過(guò)超載試驗(yàn)，表明結(jié)構(gòu)平臺(tái)承載能力具有擴(kuò)展33%的潛力。

4.3 整星振動(dòng)試驗(yàn)

承載光學(xué)載荷的整星結(jié)構(gòu)完成了加注3個(gè)方向整星振動(dòng)試驗(yàn)，每個(gè)方向試驗(yàn)均完成了驗(yàn)收級(jí)和鑒定級(jí)試驗(yàn)。整星的橫向基頻14.4 Hz，滿(mǎn)足總體基頻≥10 Hz的要求；縱向基頻47.5 Hz，滿(mǎn)足總體基頻≥30 Hz的要求。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)順利通過(guò)了X/Y/Z三個(gè)方向的正弦振動(dòng)試驗(yàn)的考核，具備承受滿(mǎn)量級(jí)鑒定級(jí)正弦振動(dòng)的承載能力；獲取了衛(wèi)星在振動(dòng)環(huán)境的響應(yīng)特性，為整星有限元模型的修正提供了數(shù)據(jù)。整星力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)表明：衛(wèi)星結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足整星剛度和強(qiáng)度要求，能夠適應(yīng)發(fā)射過(guò)程的動(dòng)態(tài)載荷環(huán)境。

4.4 相機(jī)-星敏組合體結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

相機(jī)、星敏和載荷艙組合體的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證了整星狀態(tài)的熱穩(wěn)定性性能。測(cè)量了各種溫度工況下相機(jī)、星敏間夾角變化情況。為驗(yàn)證熱變形分析、改進(jìn)設(shè)計(jì)提供支撐數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)。

圖4 星敏-相機(jī)一體化構(gòu)型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the integrated configuration of the star sensor and camera

相機(jī)星敏載荷艙組合體熱穩(wěn)定性試驗(yàn)是我國(guó)首次在大中型衛(wèi)星上進(jìn)行的高精度、全系統(tǒng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了在軌模擬工況下衛(wèi)星機(jī)械系統(tǒng)面位移、點(diǎn)位移、轉(zhuǎn)角等全系統(tǒng)測(cè)量。試驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)了整星艙段級(jí)級(jí)全場(chǎng)變形10微米量級(jí)的高精度一體化熱穩(wěn)定測(cè)試、基于物理試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)航天器各系統(tǒng)熱穩(wěn)定性影響靈敏度驗(yàn)證等多個(gè)“首次”技術(shù)突破。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)研制所獲得的技術(shù)先進(jìn)與技術(shù)創(chuàng)新在高分多模成像衛(wèi)星中已經(jīng)成功應(yīng)用，此衛(wèi)星結(jié)構(gòu)承載能力可以拓展到5 t，結(jié)構(gòu)可適應(yīng)多種載荷構(gòu)型布局，特別是填補(bǔ)了能夠在星體兩側(cè)搭載SAR天線(xiàn)載荷衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空白，并且具有較強(qiáng)的通用性及模塊化設(shè)計(jì)，已在后續(xù)多個(gè)民用及軍用衛(wèi)星型號(hào)背景論證中廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)新型遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，滿(mǎn)足總體構(gòu)型、頻率等各項(xiàng)指標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，制造工藝穩(wěn)定，完成多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，掌握多項(xiàng)結(jié)構(gòu)技術(shù)先進(jìn)點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，為后續(xù)新一代遙感衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，將在民用以及軍事領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。