曾惠忠，董彥芝，盛 聰，張 玲

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引 言

嫦娥五號探測器完成了我國月面無人自動采樣返回任務(wù)，嫦娥五號上升器是嫦娥五號探測器系統(tǒng)所屬的一個航天器。嫦娥五號上升器位于嫦娥五號探測器系統(tǒng)最頂端，其任務(wù)是經(jīng)過地面發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動飛行后，隨著陸器在月面著陸月面實施采樣、月面起飛、月球軌道交會對接和樣品轉(zhuǎn)移。上升器基本參與探測器所有需要消耗大量燃料的飛行任務(wù)。因此，上升器結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計對探測器系統(tǒng)輕量化設(shè)計具有重大意義，直接決定了整體任務(wù)的成敗。上升器結(jié)構(gòu)需要參與月面無人自動采樣封裝和月球軌道無人交會對接，采樣相關(guān)有效載荷、交會對接相關(guān)有效載荷的結(jié)構(gòu)安裝精度實現(xiàn)以及精度預(yù)測直接決定上述任務(wù)的成敗。因此，為保障嫦娥五號探測器任務(wù)成功實施，迫切需求研制出高精度上升器結(jié)構(gòu)。

上升器整器重769 kg，從重量分類上屬于小衛(wèi)星。對于整星重量接近800 kg的小衛(wèi)星，其結(jié)構(gòu)占整星重量比例為10%～20%，例如整星重量接近800 kg的中法海洋衛(wèi)星、高分一號衛(wèi)星、環(huán)境一號C星、委內(nèi)瑞拉光學(xué)遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)占整星重量比例分別為17.0%、12.8%、16.8%、17.1%。但上升器結(jié)構(gòu)重量要求小于51 kg，即占整器重量比例低于6.6%，其輕量化要求非常嚴(yán)苛。

嫦娥五號探測器月面無人自動采樣和交會對接任務(wù)對上升器結(jié)構(gòu)提出極高的精度要求，相關(guān)有效載荷最高安裝平面度為400 mm×400 mm區(qū)域小于或等于0.05 mm。阿波羅載人月球探測器的月球采樣和交會對接任務(wù)均有宇航員參與，對應(yīng)有效載荷的安裝精度要求低于月面無人自動采樣和交會對接任務(wù)[1-2]。常規(guī)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)高精度有效載荷安裝平面度通常為200 mm×200 mm區(qū)域小于或等于0.1 mm；例如文獻(xiàn)[3]設(shè)計的小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的有效載荷直接安裝在星箭連接接頭所在的底板上，且星箭連接接頭附近的結(jié)構(gòu)連接點可以依據(jù)主頻調(diào)整需求進(jìn)行取舍，其底板精度最高不會超過200 mm×200 mm區(qū)域小于或等于0.1 mm。因此，上升器結(jié)構(gòu)高精度設(shè)計，面臨的技術(shù)難度也很大。

針對我國首次月球軌道交會對接所需的有效載荷高指向精度控制和預(yù)示分析要求，當(dāng)前已有的預(yù)示分析方法無法滿足，因為這些方法通常只考慮有效載荷安裝處的航天器結(jié)構(gòu)變形對有效載荷指向精度的影響。例如已有文獻(xiàn)[4]，基于測試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效載荷安裝結(jié)構(gòu)指向精度預(yù)示。但該方法存在以下不足：1)用有效載荷安裝結(jié)構(gòu)指向代替有效載荷指向，忽略了有效載荷自身和安裝結(jié)構(gòu)在空間在軌環(huán)境下相互耦合對指向的影響效應(yīng)，基于測試數(shù)據(jù)獲取的有效載荷安裝結(jié)構(gòu)指向和有效載荷實際指向之間會有不可忽略的差異；2)基于測試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效載荷安裝結(jié)構(gòu)指向精度預(yù)示，實際地面數(shù)據(jù)僅作為初始值，對其在軌變化趨勢的影響基本可以忽略，但為了預(yù)示指向精度需要進(jìn)行實物測試，工作量大且過程繁瑣；3)基于測試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效載荷安裝結(jié)構(gòu)指向精度預(yù)示，只能等到航天器結(jié)構(gòu)以及有效載荷整體研制完成之后才能開展，時間較為滯后，不利于及早發(fā)現(xiàn)問題并提出改進(jìn)設(shè)計措施。

綜上所述，國內(nèi)外已有技術(shù)無法解決我國月面無人自動采樣返回所需極高的輕量化設(shè)計和精度保持預(yù)測要求的難題。為解決該難題，本文探索出一套輕量化高精度月面起飛上升器結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，該技術(shù)具體包括三部分：1)采用至頂向下的結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化技術(shù)完成輕量化設(shè)計，滿足月面無人自動采樣返回所需的輕量化結(jié)構(gòu)要求；2)運用壓緊和精度保持功能分離、雙坐標(biāo)系分級實現(xiàn)高精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，滿足月面無人自動采樣封裝和月球軌道無人交會對接的高精度要求；3)基于結(jié)構(gòu)和有效載荷耦合作用下的有效載荷指向精度預(yù)測技術(shù)，對交會對接任務(wù)相關(guān)的有效載荷在軌指向變化進(jìn)行預(yù)測，滿足月球軌道無人交會對接的高精度要求。

1 上升器結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

采用至頂向下的方法開展上升器結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，該設(shè)計方法依次包括以下五方面：整器結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計減重、主傳力路徑設(shè)計減重、結(jié)構(gòu)連接方式優(yōu)化減重、底板關(guān)鍵部件優(yōu)化減重、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板預(yù)埋件優(yōu)化減重。

通過輕量化設(shè)計得到的上升器結(jié)構(gòu)由球冠形底板、4塊隔板、頂板、8塊外側(cè)板、4個中心角盒組成,如圖1所示。底板為碳纖維增強樹脂薄壁加筋殼結(jié)構(gòu)，頂板為鋁面板鋁蜂窩芯子夾層結(jié)構(gòu)板，其余結(jié)構(gòu)板為碳纖維增強樹脂面板鋁蜂窩芯子夾層結(jié)構(gòu)板，中心角盒為鋁合金板殼結(jié)構(gòu)。

圖1 上升器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Constitution of the ascender structure

1.1 整器結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計減重

結(jié)合上升器結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計需求，提出在方案階段以結(jié)構(gòu)板面積最小為準(zhǔn)則，開展基于結(jié)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化的結(jié)構(gòu)減重設(shè)計，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重4.8 kg。

1)基于方案設(shè)計初期確定的整器八棱柱構(gòu)型，將貯箱安裝法蘭設(shè)計成中部偏上，貯箱通過其安裝法蘭從下往上安裝于底板的大開口下沿，貯箱大部分都暴露在艙外，上升器其余有效載荷主要放置在艙內(nèi)頂板下表面。如圖2所示，貯箱通過居中法蘭半外露安裝方式相比貯箱被艙板完全包圍安裝方式的結(jié)構(gòu)板面積顯著減小，貯箱通過偏置法蘭大半外露安裝方式進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)板面積，這種布局能充分利用艙內(nèi)貯箱到頂板下表面之間的有效空間(與文獻(xiàn)[3]通過變截面結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計實現(xiàn)星內(nèi)安裝空間充分利用的效果類似)，減小上升器整器結(jié)構(gòu)板面積，從而減小上升器結(jié)構(gòu)重量。

圖2 減小結(jié)構(gòu)板面積的貯箱安裝布局方式比較Fig.2 Contrast for different tank mounting configurations to reduce the surface of structural panel

2)通過對上升器支架和貯箱安全距離以及底板自身強度剛度的研究分析，確定底板采用球冠形。如圖3所示，采用下凸底板相比平板和上凸底板，能在保持相同艙內(nèi)可用有效載荷安裝空間前提下，側(cè)板面積大幅度減少、隔板面積基本不變，因此整體上能進(jìn)一步大幅減小上升器整器結(jié)構(gòu)板面積，從而減小結(jié)構(gòu)重量。

圖3 底板下凸和平板、上凸底板布局方式比較示意圖Fig.3 Contrast for different bottom panel configurations including concave, even and heave

3)基于上述結(jié)構(gòu)板面積最小的貯箱外露且底板下凸構(gòu)型，艙內(nèi)大部分有效載荷放置在貯箱到頂板之間，將有散熱需求的有效載荷安裝面選在頂板，頂板集中解決熱管導(dǎo)熱問題需要采用鋁面板；其余有效載荷安裝面選在隔板或側(cè)板上，使得這些結(jié)構(gòu)板不需要考慮熱管導(dǎo)熱問題，從而能將其面板材料由鋁合金改為碳纖維增強樹脂材料，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面板重量減少三分之一。

1.2 主傳力路徑設(shè)計減重

早期上升器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，四個隔板通過中心環(huán)形框架連為一體，中心環(huán)形框架重量為5 kg。如圖4所示(圖中展示了力流傳遞情況)，分析了上升器結(jié)構(gòu)主傳力路徑后，基于傳力路徑最短的原則[5]，確定整器根部對外主承力接頭選取在隔板下沿中點附近，使得每塊隔板底部基本能完全承受自身傳遞載荷，而不需要隔板之間通過大承力結(jié)構(gòu)傳遞載荷；進(jìn)而確定中心環(huán)形框架不屬于主傳力路徑上的結(jié)構(gòu)，其主要提供3000 N發(fā)動機噴管和樣品容器安裝接口。為此進(jìn)行輕量化方案設(shè)計，最后確定采用圖1所示組合形式的中心角盒，加上裝配連接環(huán)節(jié)重量，不超過1.6 kg,相比中心環(huán)形框架減輕了3.4 kg。

圖4 采用中心環(huán)形框架與中心角盒方案比較Fig.4 Contrast for center circle frame and center angle bead configurations

1.3 底板關(guān)鍵部件優(yōu)化減重

上升器底板需要承受460 kg有效載荷，同時作為主傳力結(jié)構(gòu)，還需要將上升器整器慣性力傳遞到著陸器上。因此底板屬于上升器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。方案設(shè)計階段，設(shè)計了3種強度、剛度滿足要求的底板方案：預(yù)埋加強梁的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板(16 kg)、鋁合金整體機加成型的加筋殼結(jié)構(gòu)(24.5 kg)和碳纖維增強樹脂材料整體成型的加筋殼結(jié)構(gòu)(16.9 kg)。

為兼顧溫度環(huán)境適應(yīng)性和滿足輕量化要求，底板采用上述第3種設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上，采用與復(fù)合材料力學(xué)性能相當(dāng)?shù)母飨蛲圆牧辖⒂邢拊Ｐ?，通過拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化確定底板主承載區(qū)域，基于傳力路徑最短的設(shè)計準(zhǔn)則確定主承載區(qū)域加強筋的布局，通過尺寸優(yōu)化確定殼體厚度和加強筋的高度及壁厚，然后結(jié)合以往成功的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進(jìn)行校驗和細(xì)化，最終設(shè)計出強度裕度和剛度都滿足要求的底板[6-9]。最終底板重11.8 kg，相比于優(yōu)化前的16.9 kg減輕30.2%。最終產(chǎn)品照片如圖 5所示。

圖5 底板實際產(chǎn)品Fig.5 Practicality of the bottom panel

1.4 結(jié)構(gòu)連接方式優(yōu)化減重

上升器結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計階段，在比較研究了以往衛(wèi)星結(jié)構(gòu)連接方式基礎(chǔ)上，針對上升器結(jié)構(gòu)特點，確定了上升器結(jié)構(gòu)連接方式優(yōu)化減重原則：盡量減少結(jié)構(gòu)連接環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)板采取直接連接而不是通過角條間接連接，最終實現(xiàn)整器結(jié)構(gòu)減重3.1 kg。

頂板原有方案是采用3塊結(jié)構(gòu)板裝配形成，裝配設(shè)計方案需要2條拼接棱，每條棱15個連接點，每個連接點兩個螺紋連接需要30 g，每條棱角條120 g，總共需要分配重量1.14 kg。為減少結(jié)構(gòu)連接環(huán)節(jié)，將其設(shè)計為一體結(jié)構(gòu)，折彎處面板和芯子都需要拼接，拼接面板所需重量130 g，芯子拼接所需發(fā)泡膠重量110 g，總共需要分配0.24 kg。相比裝配連接方案，減輕了0.9 kg。

上升器結(jié)構(gòu)整體形狀為八棱柱，大側(cè)板和斜側(cè)板夾角為135°，二者之間需要設(shè)計結(jié)構(gòu)連接。早期設(shè)計方案是通過角條將大側(cè)板和斜側(cè)板連接為一體，這種方案需要8條棱，每條棱8個連接點，每個連接點兩個螺紋連接需要30 g，每條棱角條70 g，總共需要分配重量2.48 kg。結(jié)合上升器結(jié)構(gòu)連接點承力分析，采用大側(cè)板和斜側(cè)板直接連接方式，大側(cè)板上設(shè)計安裝孔軸線與板面法線成45°夾角的特殊孔套，斜側(cè)板上設(shè)計輕型側(cè)向螺紋埋件，這種方式每個連接點需要1個螺釘和2個埋件，每個連接點需要占用大約20 g，因此這種連接方案總共需要分配1.28 kg，相比于角條連接方式，減輕了1.2 kg。

以往的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)連接都采用M5螺釘，為減輕重量，在分析其承力大小前提下，將其設(shè)計為M4螺釘。相對采用M5螺釘方案，采用M4螺釘方案的每個螺釘減輕1 g、埋件減輕3 g，整器大約250個結(jié)構(gòu)連接點，則總共減輕1 kg。

1.5 蜂窩板埋件設(shè)計減重

結(jié)合已有通用埋件承力大小試驗數(shù)據(jù)，將有效載荷安裝點的M3、M4和M5螺紋埋件及其發(fā)泡膠填充方式進(jìn)行優(yōu)化減重設(shè)計，相對通用的螺紋埋件，每個減輕埋件能減重3 g，整器大約700個，減輕2.1 kg。

M5輕量化螺紋預(yù)埋件構(gòu)型和發(fā)泡膠填充方式如圖6所示。該預(yù)埋件設(shè)計為僅能容納螺紋孔的圓柱體、螺紋端部直徑相對圓柱體大3 mm的翻邊和若干個周向均布的翅片組合，具體翅片數(shù)量需要與蜂窩芯格大小匹配，確保具體實施時每個翅片端部很容易落在一個完整的蜂窩芯格中，翅片高度只需要略大于螺紋孔螺紋段深度；這樣有效載荷慣性力就能通過預(yù)埋件螺紋孔直接傳遞到翅片端部。發(fā)泡膠在預(yù)埋件圓柱體和翅片一周包裹一層，蜂窩芯子中心開口接近圓柱段直徑，同時蜂窩芯子沿著翅片方向增加徑向開口(開口端部基本接近翅片端部)，并在與翅片端部相交的蜂窩芯格內(nèi)填充保證固化后能充滿這個蜂窩芯格的發(fā)泡膠；實現(xiàn)用最少的發(fā)泡膠，將預(yù)埋件傳遞的有效載荷慣性力分散到更大范圍的蜂窩芯子，從而實現(xiàn)輕量化設(shè)計。對于少量有更大承力的預(yù)埋件，可以在翅片端部所在圓周往外沿著翅片方向的蜂窩芯格增加發(fā)泡膠，讓更多的蜂窩芯格參與承力，從而提高預(yù)埋件的整體承力水平。

圖6 輕量化蜂窩夾層板螺紋連接預(yù)埋件設(shè)計方案Fig.6 The scheme of the lightweight pre-insert with screw thread used in honeycomb sandwich panel

此外，在研究結(jié)構(gòu)連接點承力方式基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)連接點所用的孔套、側(cè)向埋件及其發(fā)泡膠填充方式進(jìn)行優(yōu)化，每個孔套大約減輕1 g，每個側(cè)向埋件大約減輕5 g，整器250個結(jié)構(gòu)連接點，總共減輕重量1.5 kg。

2 上升器結(jié)構(gòu)高精度設(shè)計

針對月面無人自動采樣任務(wù)需求，月面鉆取采樣機構(gòu)需要通過1個連接分離螺栓對4個壓緊點高精度壓緊安裝，為此設(shè)計出一種金屬十字梁和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板組合結(jié)構(gòu),如圖7所示，使得預(yù)緊力承受和月面鉆取采樣機構(gòu)安裝接口精度保持功能分離，最終保證在預(yù)緊力作用下上升器結(jié)構(gòu)還能提供月面鉆取采樣機構(gòu)所需的高精度安裝接口。方案如下：

1)鉆取采樣機構(gòu)和金屬十字梁分別安裝在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板兩側(cè)；金屬十字梁4個端點處為壓緊點，鉆取采樣機構(gòu)和金屬十字梁在4個壓緊點處通過蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板預(yù)埋的雙孔螺紋埋件連為一體，并通過中心連接分離螺栓將鉆取采樣機構(gòu)壓緊安裝在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板上；

2)4個壓緊點處蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板預(yù)埋的雙孔螺紋埋件兩端使用常溫固化膠粘貼墊片，通過組合加工雙孔螺紋預(yù)埋件兩端的墊片，保證每側(cè)墊片平面度小于0.05 mm，最終實現(xiàn)400 mm×400 mm區(qū)域的有效載荷安裝平面度小于0.05 mm，通過兩側(cè)墊片實現(xiàn)鉆取采樣機構(gòu)和金屬十字梁在4個壓緊點貼合、除此以外部分懸空的壓緊安裝；

3)鉆取采樣機構(gòu)壓緊的預(yù)緊力直接作用在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板兩側(cè)的鉆取采樣機構(gòu)和金屬十字梁，金屬十字梁在承受預(yù)緊力時，變形小于0.1 mm；鉆取采樣機構(gòu)加速度產(chǎn)生的慣性力(較預(yù)緊力小1個數(shù)量級)，通過鉆取采樣機構(gòu)和十字梁傳遞到蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板的雙孔螺紋埋件，最終由蜂窩夾層結(jié)構(gòu)承受。

圖7 金屬十字梁和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板組合結(jié)構(gòu)Fig.7 The assembled structure consists of the metal cross beam and honeycomb sandwich panel

針對我國月面無人自動采樣及在月球軌道交會對接任務(wù)中很高的有效載荷安裝精度要求，提出一種基于兩套坐標(biāo)系分級實現(xiàn)樣品容器、敏感器、采樣裝置、交會對接機構(gòu)很高安裝接口精度的設(shè)計方法(400 mm×400 mm區(qū)域平面度達(dá)到0.05 mm)：

1)將相互之間有很高的形位精度要求的樣品容器、敏感器、采樣裝置、交會對接機構(gòu)集中安裝在遠(yuǎn)離整器坐標(biāo)系原點處，其相對形位精度控制在新建立的采樣交會對接坐標(biāo)系中實現(xiàn)，采樣交會對接坐標(biāo)系基準(zhǔn)面建立在中心角盒的樣品容器安裝面上。

2)采樣交會對接坐標(biāo)系相對整器坐標(biāo)系的精度只需要滿足采樣和交會對接任務(wù)以外常規(guī)飛行階段的需求，相對較低，通過常規(guī)的整器結(jié)構(gòu)部裝裝配調(diào)整實現(xiàn)。

3)采樣交會對接涉及的敏感器a安裝面、敏感器b安裝面、敏感器c安裝面、敏感器d安裝面、采樣裝置安裝面、交會對接機構(gòu)安裝面都設(shè)計在頂板上，具體為鋁合金預(yù)埋件突出頂板的端面,這些安裝面相對采樣交會對接坐標(biāo)系的形位精度通過組合加工實現(xiàn)。

3 高精度有效載荷指向變化預(yù)示

上升器安裝的月球軌道交會對接相關(guān)的高指向精度要求的有效載荷為：星敏感器a、星敏感器b、星敏感器c、激光IMU(Inertial measurement unit慣性測量單元)、光纖IMU。需要分析零重力(代表理論設(shè)計值的初始狀態(tài))、1倍重力(地面狀態(tài))、在軌溫度場(在軌狀態(tài))3種狀態(tài)下，星敏感器a、星敏感器b、星敏感器c分別相對激光IMU和光纖IMU的3個基準(zhǔn)軸的指向變化值。因此，提出一種高精度有效載荷指向變化預(yù)示方法，該方法能綜合考慮有效載荷自身和安裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體效應(yīng)、簡化分析方法、便于在設(shè)計早期開展預(yù)示工作，流程如圖8所示。

圖8 有效載荷在軌指向變化預(yù)示方法流程圖Fig.8 Flow chart of the payload in orbit pointing accuracy forecasting

1)依據(jù)有效載荷布局，獲取零重力狀態(tài)下指向矢量相對整器坐標(biāo)系的單位向量。依據(jù)式(1)計算敏感器a、星敏感器b、星敏感器c的指向單位向量與激光IMU、光纖IMU的3個基準(zhǔn)軸的相對夾角。

θ=arccos(V1·V2)

(1)

式中：θ為2個單位矢量夾角;V1,V2為需要計算夾角的2個單位矢量。

2)建立包含整器結(jié)構(gòu)和上述高指向精度有效載荷的整器有限元模型[10]，整星有效載荷及其安裝結(jié)構(gòu)的有限元模型用尺寸更小的有限單元進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上以有效載荷自身結(jié)構(gòu)上代表其指向的所有節(jié)點作為主節(jié)點、以主節(jié)點的幾何中心擬合點為從節(jié)點建立RBE3單元(一種多點約束單元)，并將RBE3單元的從節(jié)點定義為特征點，用特征點的轉(zhuǎn)動角度表征有效載荷指向變化；通過這種有限元建模方法，分析得到的有效載荷指向能包含有效載荷與其安裝結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)。

3)賦予所有有限單元的力學(xué)特性以及材料的線膨脹系數(shù)，對整星有限元模型分別施加1倍重力加速度和在軌溫度場，并分別開展靜力分析，輸出上述5個有效載荷的特征點角度位移。

4)基于已有5個有效載荷指向在整器坐標(biāo)系中的單位向量和施加在軌預(yù)示環(huán)境之后各自特征點角位移，依據(jù)式(2)分別計算施加在軌預(yù)示環(huán)境之后所有有效載荷相對整器的指向單位向量，然后依據(jù)式(1)分別計算1倍重力加速度和在軌溫度場之后不同有效載荷指向單位向量之間相對夾角[11]。

(2)

式中：A為整器坐標(biāo)系X0Y0Z0到有效載荷固連坐標(biāo)系X1Y1Z1的方向余弦陣；α，β，γ分別為有效載荷固連坐標(biāo)系X1Y1Z1繞整器坐標(biāo)系X0Y0Z0的3個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)角——即特征點角位移；U0，U1分別為有效載荷指向單位矢量在整器坐標(biāo)系X0Y0Z0,有效載荷固連坐標(biāo)系X1Y1Z1中的坐標(biāo)分量向量。

5)最后計算施加1倍重力加速度和在軌溫度場前、后不同有效載荷指向單位向量之間相對夾角的變化值。將星敏器相對IMU夾角變化換算成角秒，對應(yīng)數(shù)值見表1。結(jié)果表明施加1倍重力場相對初始狀態(tài)下3個星敏器相對2個IMU指向變化最大值為122.76″，施加在軌溫度場相對初始狀態(tài)下3個星敏器相對2個IMU指向變化最大值為126.00″，均滿足任務(wù)需求，因此預(yù)示工作結(jié)束(預(yù)示結(jié)果經(jīng)受了飛行驗證)。否則，如果不滿足要求，通過對有效載荷布局進(jìn)行優(yōu)化、控制溫度環(huán)境、以特征點角度位移作為優(yōu)化目標(biāo)開展基于有限元模型的結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化，最終保證有效載荷在軌指向變化滿足任務(wù)要求。

表1 1倍重力和在軌溫度場環(huán)境下的星敏器相對IMU基準(zhǔn)軸夾角變化情況Table 1 Changes of reference axis angles between the star sensors and IMUs under gravity and temperature field in orbit

4 結(jié) 論

本文通過從方案到詳細(xì)設(shè)計的至頂向下、從整器結(jié)構(gòu)構(gòu)型到蜂窩板埋件的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，實現(xiàn)上升器結(jié)構(gòu)自重47.758 kg(占整器重量769 kg的6.2%)；提出承受預(yù)緊力和精度保持功能分離、基于兩套坐標(biāo)系分級實現(xiàn)高精度有效載荷安裝接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，保證上升器結(jié)構(gòu)滿足月面無人自動采樣和月球軌道交會相關(guān)有效載荷的安裝接口400 mm×400 mm區(qū)域平面度小于或者等于0.05 mm的高精度要求；提出綜合了有效載荷自身和安裝結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)的有效載荷在軌指向變化預(yù)示方法，實現(xiàn)準(zhǔn)確、高效、快速地對有效載荷在軌指向變化進(jìn)行評估，滿足月球軌道交會相關(guān)有效載荷的在軌指向變化小于3′的高精度指向控制要求。

上升器結(jié)構(gòu)設(shè)計已支持完成我國月面無人自動采樣返回任務(wù)，在此基礎(chǔ)上探索出一套大承力航天器結(jié)構(gòu)輕量化、高精度設(shè)計方法，可為后續(xù)深空探測等航天領(lǐng)域提供參考。