王曉耕 扈勇強(qiáng) 東巳宙 鄧衛(wèi)華 徐志明 常靜 馮振偉 張一鵬 徐欣 馬雨嘉
(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)
航天東方紅衛(wèi)星有限公司(簡稱東方紅公司)自2001年正式成立以來,成功發(fā)射了120余顆小衛(wèi)星,小衛(wèi)星環(huán)境試驗[1-2]技術(shù)隨著東方紅公司的發(fā)展逐步發(fā)揮了對小衛(wèi)星研制的支撐作用。在航天器研制中,環(huán)境工程主要解決5個方面的任務(wù)[1]。與此類似,在東方紅公司小衛(wèi)星總體設(shè)計與集成研制體系中的小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)主要解決以下任務(wù)。
(1)進(jìn)行小衛(wèi)星系統(tǒng)級和組件級的環(huán)境預(yù)示,為制定小衛(wèi)星產(chǎn)品環(huán)境試驗計劃與試驗條件提供數(shù)據(jù)支撐。
(2)制定小衛(wèi)星系統(tǒng)級的環(huán)境試驗計劃和環(huán)境試驗大綱,制定組件級環(huán)境試驗計劃和要求。規(guī)定在研制各個階段所要進(jìn)行的環(huán)境試驗項目,提出產(chǎn)品的環(huán)境設(shè)計要求與試驗要求。
(3)對影響產(chǎn)品性能的工作環(huán)境進(jìn)行的環(huán)境防護(hù)設(shè)計,降低環(huán)境因素對產(chǎn)品性能指標(biāo)的影響。
(4)在小衛(wèi)星研制過程的環(huán)境試驗中,實施關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析和關(guān)鍵過程控制,確保按照試驗計劃和試驗大綱實施,達(dá)到預(yù)期的試驗?zāi)康摹?/p>
(5)對系統(tǒng)級環(huán)境試驗結(jié)果進(jìn)行分析和評估,對組件級的環(huán)境試驗有效性作出評價,并作為系統(tǒng)級可靠性評估的依據(jù)之一。
隨著小衛(wèi)星研制技術(shù)的發(fā)展,逐步建立了企業(yè)獨(dú)有的小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)體系。依據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)等環(huán)境試驗技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的原則,結(jié)合小衛(wèi)星特點制定了系統(tǒng)級的分析和環(huán)境試驗要求相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn);對于組件級產(chǎn)品,制定了通用的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其中,針對衛(wèi)星平臺設(shè)備規(guī)定了明確的試驗項目、條件和要求,針對非通用產(chǎn)品制定原則性的試驗要求。每顆衛(wèi)星研制中,在符合上述企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,制定有針對性的技術(shù)文件,明確規(guī)定系統(tǒng)級和組件級的試驗項目、條件和要求,并規(guī)定了各階段的試驗項目和試驗要求。
面對小衛(wèi)星每年研制數(shù)量的增長,衛(wèi)星平臺及其載荷多樣化,衛(wèi)星載荷探測精度的提高,技術(shù)團(tuán)隊在小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)方面進(jìn)行了不斷探索。獲取衛(wèi)星環(huán)境剖面數(shù)據(jù)是環(huán)境試驗技術(shù)的基礎(chǔ)。衛(wèi)星環(huán)境剖面數(shù)據(jù)包括在研制、發(fā)射和在軌全生命周期衛(wèi)星經(jīng)歷的環(huán)境實測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行環(huán)境試驗設(shè)計的依據(jù)。小衛(wèi)星由單星研制向批量化生產(chǎn)轉(zhuǎn)化,大量商業(yè)衛(wèi)星和皮納衛(wèi)星需求的出現(xiàn),環(huán)境試驗設(shè)計方案要能夠體現(xiàn)地面試驗的有效性和高效。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時,產(chǎn)品環(huán)境防護(hù)不局限于溫度、真空、輻射、磁、原子氧等環(huán)境,還有微振動、溫度變化環(huán)境的防護(hù)。地面試驗中過程對精細(xì)化過程控制要求越來越高。試驗有效性分析與評估對改進(jìn)衛(wèi)星及其產(chǎn)品研制和提高環(huán)境試驗技術(shù)能力具有重大作用。本文對通過20年以來在環(huán)境試驗技術(shù)方面進(jìn)行的不斷探索與積累取得的成果進(jìn)行了介紹,可為我國未來小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)提供參考。
衛(wèi)星發(fā)射過程的動力學(xué)環(huán)境是衛(wèi)星抗力學(xué)設(shè)計的主要目標(biāo),也是衛(wèi)星地面大型力學(xué)試驗主要的模擬對象[3]。當(dāng)前發(fā)射動力學(xué)環(huán)境的數(shù)據(jù)主要由運(yùn)載測量,測量位置通常位于星箭界面,這些數(shù)據(jù)也是確定衛(wèi)星系統(tǒng)級力學(xué)試驗條件的基礎(chǔ)。對于小衛(wèi)星,主要的系統(tǒng)級力學(xué)試驗是振動試驗,包括正弦振動和隨機(jī)振動。由于試驗和發(fā)射的狀態(tài)差異,試驗過程中常需要控制關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的振動響應(yīng)來避免過試驗。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的振動響應(yīng)以往是通過星箭耦合分析來預(yù)估的,而缺乏實際主動段星上振動響應(yīng)數(shù)據(jù)的驗證。
小衛(wèi)星首次在某型號A衛(wèi)星上開展了主動段振動響應(yīng)測量試驗[4]。A衛(wèi)星上搭載了一套主動段振動響應(yīng)測量系統(tǒng),主要目標(biāo)是獲取衛(wèi)星在發(fā)射過程主動段運(yùn)載火箭動力學(xué)環(huán)境下的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)隨衛(wèi)星于2012年成功發(fā)射,完成了既定任務(wù),并獲得了全部的主動段振動加速度數(shù)據(jù)。
某型號A衛(wèi)星搭載的主動段振動響應(yīng)測量系統(tǒng)由一臺主動段振動測量儀和6個加速度傳感器組成。其中傳感器采用的是貨架產(chǎn)品,每個傳感器可以測量3個軸向的振動加速度響應(yīng);主動段振動測量儀負(fù)責(zé)給傳感器供電、數(shù)據(jù)采集編碼、存儲和發(fā)送,其構(gòu)成上包括數(shù)據(jù)處理及存儲模塊,供配電模塊和信號采集模塊三部分。針對小衛(wèi)星星上資源緊張的特點,主動段振動測量儀進(jìn)行了小型化和低成本設(shè)計,其質(zhì)量和功耗都低于國內(nèi)其他航天器類似系統(tǒng)的50%以上;通過采用工業(yè)級、高集成元器件,也大大降低了成本。
某型號A衛(wèi)星為典型的小衛(wèi)星構(gòu)型,采用艙板式結(jié)構(gòu),由推進(jìn)艙、平臺艙和載荷艙3個艙段組成。6個加速度傳感器由下至上分別布置在底板、中板和頂板3個層次,每個層次各布置2個傳感器,并大致呈對稱分布,使測點整體上在縱向截面上成“日”字形,如此布置的目的是便于獲取衛(wèi)星結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分布的變化趨勢。
主動段振動響應(yīng)測量采用自動識別點火和全過程記錄的方式,工作狀態(tài)包括準(zhǔn)備模式、采集/存儲模式、傳輸模式和重發(fā)模式4種工況。測量系統(tǒng)可在發(fā)射前1 h或更早時間進(jìn)入準(zhǔn)備模式,這時并不開始記錄數(shù)據(jù),只是監(jiān)測星上的振動響應(yīng),當(dāng)有兩處測點振動量級同時達(dá)到一定值后,系統(tǒng)認(rèn)為火箭已經(jīng)點火,自動切換到采集/存儲模式,開始連續(xù)的記錄各測點的數(shù)據(jù),直到主動段結(jié)束,主動段結(jié)束是通過太陽翼展開的時刻來自動識別的。傳輸模式用于把記錄的數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)星平臺,為下傳地面做準(zhǔn)備。重發(fā)模式是為了避免數(shù)據(jù)存儲被損壞而設(shè)計的后備模式。該點火方式不同于國內(nèi)其他航天器類似任務(wù),以往通常采用地面指令提前設(shè)置采集記錄的方式,一般至少提前30 min開始記錄。通過自動識別點火和主動段結(jié)束等“智能化”設(shè)計,使記錄的數(shù)據(jù)只包含了從點火前約3 s到太陽翼展開的振動響應(yīng)數(shù)據(jù),既達(dá)到了記錄主動段全過程數(shù)據(jù)的目的,又避免了記錄多余的不必要數(shù)據(jù)降低了存儲空間的冗余。為了確保在唯一的火箭點火時機(jī)準(zhǔn)確的觸發(fā)開始記錄數(shù)據(jù)又避免誤觸發(fā)的風(fēng)險,特別設(shè)計了“6選2”的判別方式,即6個傳感器中任意2個的縱向達(dá)到或超過了閾值即可觸發(fā),該方式經(jīng)過概率計算是可靠性最高的,地面試驗和最終的在軌飛行也驗證了是實際可行的。
該衛(wèi)星使用長征二號丙火箭進(jìn)行一箭雙星發(fā)射,主動段振動響應(yīng)測量系統(tǒng)獲取了從火箭點火到太陽翼展開全過程完整的數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)表明:衛(wèi)星在主動段不同時刻的振動響應(yīng)是不同的,主要表現(xiàn)為振動和沖擊兩種形式。顯著的振動響應(yīng)集中在起飛后前100 s內(nèi),尤其是跨聲速段約60 s內(nèi)由于氣動噪聲與火箭發(fā)動機(jī)工作共同作用,振動響應(yīng)最為劇烈。隨著火箭一二級分離、飛出大氣層,振動響應(yīng)顯著降低,之后拋整流罩、星箭分離以及太陽翼展開等工況產(chǎn)生的較大響應(yīng)主要表現(xiàn)為瞬態(tài)沖擊,持續(xù)時間不超過1 s。主動段振動響應(yīng)測量的信號與火箭飛行時序?qū)φ?,時間一致,符合正常的力學(xué)環(huán)境變化趨勢,這表明了該數(shù)據(jù)是可信的。
在發(fā)射A衛(wèi)星過程中,運(yùn)載也進(jìn)行了主動段振動環(huán)境測量,測點位置在星箭界面。從A衛(wèi)星主動段振動響應(yīng)測量結(jié)果中選取主動段主要振動工況,按照運(yùn)載測量數(shù)據(jù)處理方法,并與驗收試驗條件對應(yīng),低頻瞬態(tài)振動(5~100 Hz)處理成沖擊響應(yīng)譜,中頻隨機(jī)振動(20~2000 Hz)處理成功率密度譜,得到的譜線與運(yùn)載測量處理數(shù)據(jù)進(jìn)行對照,表明:兩者的譜線顯示其頻率特性是一致的,且都顯示出明顯的40 Hz振動特征;兩者的縱向振動都高于橫向振動,且縱向40 Hz處測量結(jié)果都高于隨機(jī)振動驗收條件。這進(jìn)一步證明了A衛(wèi)星主動段振動環(huán)境測量數(shù)據(jù)是有效的。
經(jīng)過飛行驗證和地面數(shù)據(jù)分析,A衛(wèi)星主動段振動測量儀完成了既定任務(wù),指標(biāo)正常,測量數(shù)據(jù)完整有效。主動段振動測量儀在飛行產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,經(jīng)過1次實際飛行考核,證明滿足飛行應(yīng)用要求,達(dá)到宇航產(chǎn)品單機(jī)4級成熟度。主動段振動測量儀及其所測數(shù)據(jù)都具有重要價值,可以從以下幾方面加以應(yīng)用推廣。
(1)獲取的數(shù)據(jù)可以用于進(jìn)一步的分析和研究,去發(fā)現(xiàn)發(fā)射過程中星箭力學(xué)耦合關(guān)系的更多規(guī)律,以指導(dǎo)衛(wèi)星抗力學(xué)設(shè)計、分析和試驗。
(2)后繼的其他航天器也應(yīng)繼續(xù)開展主動段力學(xué)環(huán)境測量,尤其是科研星型號,多次測量的統(tǒng)計可以降低數(shù)據(jù)的離散性。
(3)主動段振動測量儀可以作為成熟產(chǎn)品應(yīng)用到其他型號,其“小型化、低成本和智能化”的特點雖然是針對小衛(wèi)星設(shè)計的,但對其他型號也是適用的,甚至可以作為衛(wèi)星平臺的一部分,成為常規(guī)設(shè)備,用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和力學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)收集。
主動段振動測量儀經(jīng)歷本次飛行可以利用積累的經(jīng)驗進(jìn)行改進(jìn)提高,嘗試搭配更多種傳感器用于測量沖擊、微振動等其他參數(shù),滿足更多的測量需求。
隨著航天技術(shù)的發(fā)展,以高分辨率遙感衛(wèi)星為代表的高精度航天器在對地觀測、激光通信和深空探測等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多,精度也越來越高,微振動已經(jīng)成為影響高精度航天器成像質(zhì)量等性能的關(guān)鍵因素之一。微振動[5]是指航天器在軌運(yùn)行期間,星上部件高速轉(zhuǎn)動、有效載荷中掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動、大型可控構(gòu)件驅(qū)動機(jī)構(gòu)步進(jìn)運(yùn)動、變軌調(diào)姿期間推力器點火工作、制冷機(jī)的膨脹機(jī)和壓縮機(jī)、百葉窗等熱控部件機(jī)械運(yùn)動、大型柔性結(jié)構(gòu)受激振動和進(jìn)出陰影時冷熱交變誘發(fā)航天器產(chǎn)生的一種幅值較低、頻率較高的顫振響應(yīng)。
東方紅公司是最先開展微振動環(huán)境研究的研制單位之一。在海洋一號衛(wèi)星研制中開始進(jìn)行地面微振動試驗,取得了地面試驗的數(shù)據(jù),初步了解小衛(wèi)星主要微振動干擾源和傳遞路徑的情況,并積累了微振動數(shù)據(jù)分析的經(jīng)驗。目前,對東方紅公司研制的大多數(shù)遙感衛(wèi)星開展了整星級微振動試驗和微振動仿真分析工作。東方紅公司建立了系統(tǒng)級和組件級的微振動測量系統(tǒng)。在系統(tǒng)級微振動試驗中,開展了加速度和角位移測量。在組件級,開展控制力矩陀螺(CMG)、數(shù)傳天線等微振動干擾源的微振動加速度響應(yīng)與力測量工作,積累了大量微振動經(jīng)驗數(shù)據(jù)。同時,在具有高分辨率成像載荷的多顆衛(wèi)星上配置了微振動測量系統(tǒng),對在軌星上關(guān)鍵位置進(jìn)行了微振動的測量,對地面測試結(jié)果進(jìn)行了驗證,為微振動抑制設(shè)計提供了基礎(chǔ),并對相機(jī)成像質(zhì)量改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支撐。
衛(wèi)星在軌的溫度水平對星上儀器設(shè)備和部件功能的發(fā)揮、性能指標(biāo)的實現(xiàn)、可靠性及壽命等有重要的影響,設(shè)備溫度通過熱控分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計保證,熱設(shè)計缺陷及熱控系統(tǒng)故障,會造成衛(wèi)星功能異常[6]。熱控分系統(tǒng)是衛(wèi)星的重要組成部分,針對衛(wèi)星從地面待發(fā)階段到任務(wù)結(jié)束全過程,分析和識別衛(wèi)星的外部空間環(huán)境、航天器任務(wù)特征以及自身特性,在滿足來自外部環(huán)境和衛(wèi)星對熱控制技術(shù)約束的前提下,綜合運(yùn)用合理的熱控制技術(shù),對熱量的吸收、傳輸、排散等環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié),保證與熱相關(guān)的參數(shù)滿足衛(wèi)星可控完成預(yù)定功能的要求[7-8]。衛(wèi)星要求熱控分系統(tǒng)保證的溫度大致如下:星上常用的電子設(shè)備一般要求溫度在-15~+50 ℃范圍內(nèi);部分機(jī)電產(chǎn)品溫度較一般電子設(shè)備的溫度要求略窄,如機(jī)械陀螺以及控制力矩陀螺要求溫度在0~+40 ℃范圍內(nèi);特殊組件如蓄電池,早期的鎘鎳蓄電池要求溫度在+5~+20 ℃范圍內(nèi),目前使用的鋰電池要求溫度在+10~+35 ℃范圍內(nèi);推進(jìn)分系統(tǒng)的設(shè)備多數(shù)由于使用燃料肼,要求溫度在+5~+60 ℃范圍內(nèi);太陽翼艙外天線及展開太陽翼要求溫度在-100~+100 ℃范圍內(nèi),體裝太陽翼要求溫度在-100~+140 ℃范圍內(nèi)。另外,艙外天線以及太陽翼受空間環(huán)境的影響大,溫度波動范圍大,尤其在衛(wèi)星進(jìn)出陰影時太陽翼最大的溫度變化速率會達(dá)到+15~+18 ℃/min。
東方紅公司成功發(fā)射的120余顆小衛(wèi)星,絕大多數(shù)運(yùn)行在400~1000 km的太陽同步軌道上,在軌壽命最長的小衛(wèi)星已超過10年。根據(jù)設(shè)備在軌的溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計,小衛(wèi)星領(lǐng)域所有衛(wèi)星的熱控分系統(tǒng)運(yùn)行良好,星上組件的溫度在其壽命期內(nèi)均能滿足要求。
小衛(wèi)星環(huán)境試驗設(shè)計的目的有兩方面:一方面驗證產(chǎn)品的設(shè)計與采取的制造工藝是否正確和符合質(zhì)量要求,以確保產(chǎn)品在預(yù)定的工作環(huán)境下正常工作;另一方面則是檢驗產(chǎn)品的制造質(zhì)量,盡量在地面暴露元器件、材料及制造工藝中的潛在缺陷,減少早期失效。針對這兩方面的目的,小衛(wèi)星環(huán)境試驗的內(nèi)容主要包含以下部分:①對小衛(wèi)星全生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的環(huán)境進(jìn)行全面分析識別;②分析預(yù)示衛(wèi)星地面及在軌力、熱及其他環(huán)境;③針對整星系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、單機(jī)級的特點制定相應(yīng)的考核條件及要求,涵蓋力、熱、磁、紫外輻照等試驗項目;④對衛(wèi)星各級產(chǎn)品試驗過程進(jìn)行控制,并對其試驗結(jié)果進(jìn)行評估;⑤對整星系統(tǒng)級試驗進(jìn)行策劃、實施、評估;⑥對衛(wèi)星在軌環(huán)境進(jìn)行控制,主要包含力學(xué)、熱等環(huán)境。
下面主要從小衛(wèi)星試驗條件統(tǒng)一化定制、批產(chǎn)衛(wèi)星環(huán)境試驗設(shè)計、微納衛(wèi)星環(huán)境試驗設(shè)計等方面進(jìn)行介紹。
東方紅公司成立初期,星上單機(jī)試驗條件的確定原則大致如下:熱試驗項目與GJB1027A[9]一致。試驗溫度的確定一般以衛(wèi)星接口數(shù)據(jù)單簽署的熱設(shè)計溫度為依據(jù),上下各外擴(kuò)5 ℃作為單機(jī)的驗收級試驗溫度;以驗收溫度為基線,再上下各外擴(kuò)5 ℃作為該單機(jī)的鑒定級試驗溫度。力學(xué)試驗項目也與GJB1027[10]保持一致,試驗條件的確定與單機(jī)在衛(wèi)星上力學(xué)環(huán)境有關(guān),不同的安裝位置單機(jī)的試驗條件也不一樣。小衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)多為艙板式結(jié)構(gòu),有的設(shè)備安裝在平臺底板上,有些安裝在載荷艙底板上,還有些設(shè)備安裝在艙內(nèi)隔板或側(cè)板上。不同的安裝位置就會出現(xiàn)一個力學(xué)試驗條件,因此在小衛(wèi)星研制初期,星上單機(jī)的熱、力試驗條件五花八門,種類繁多。
隨著東方紅公司的發(fā)展,衛(wèi)星研制的數(shù)量漸漸增加,同樣一臺單機(jī)在不同衛(wèi)星上安裝位置不同,造成了試驗條件的差異,不利于單機(jī)產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。同時,2006年修訂后的GJB1027A[9]標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)單機(jī)的熱、力等驗收級試驗條件是壽命期環(huán)境與可靠性篩選的包絡(luò)。尤其是一般電單機(jī)熱試驗的溫度,不再是以其熱設(shè)計溫度為基線簡單的外擴(kuò),單機(jī)的驗收級溫度是熱設(shè)計溫度外擴(kuò)后的溫度范圍和可靠性篩選所需的-25~+60 ℃(85 ℃溫差)溫度范圍的包絡(luò)?;谏鲜龅淖兓?,小衛(wèi)星啟動了領(lǐng)域單機(jī)試驗條件統(tǒng)一化的工作,編寫了小衛(wèi)星組件試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),給出小衛(wèi)星領(lǐng)域一般電單機(jī)統(tǒng)一的力、熱驗收級以及鑒定級的試驗條件,特殊單機(jī)試驗條件制定的原則,按照標(biāo)準(zhǔn)完成試驗的電單機(jī)無特殊情況可以安裝在衛(wèi)星的任何艙板上。同時對于已經(jīng)完成鑒定的繼承產(chǎn)品,如控制分系統(tǒng)的大部分產(chǎn)品,按照原有條件執(zhí)行,但是需對單機(jī)的力、熱、環(huán)境進(jìn)行評估,確認(rèn)相關(guān)試驗條件可以包絡(luò)單機(jī)壽命期的環(huán)境并留有一定余量。
2010年以來,小衛(wèi)星領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展,衛(wèi)星數(shù)量越來越多,對單機(jī)的產(chǎn)能提出了更高的要求,對單機(jī)產(chǎn)品去型號化生產(chǎn)提出了更高的需求。東方紅公司率先開展了單機(jī)產(chǎn)品試驗條件統(tǒng)一化的工作。對姿控、結(jié)構(gòu)、數(shù)傳和上下位機(jī)等設(shè)備的原有鑒定級試驗條件進(jìn)行梳理,分析各型號執(zhí)行的驗收級試驗條件,最終形成各類設(shè)備各自的統(tǒng)一試驗條件。對新研產(chǎn)品,在其研制初期就充分考慮在小衛(wèi)星領(lǐng)域的通用性,設(shè)計符合統(tǒng)一試驗條件的試驗方案。目前,在小衛(wèi)星領(lǐng)域已實現(xiàn)大部分星上產(chǎn)品的試驗條件通用化,為小衛(wèi)星平臺化打下基礎(chǔ)。
近年來,隨著小衛(wèi)星向小型星座和多顆業(yè)務(wù)星同步研制模式轉(zhuǎn)變,通過優(yōu)化試驗流程和批試驗技術(shù)已經(jīng)取得了較好的效果。
并行組批試驗,即多顆星的同時進(jìn)行試驗,是解決多星并行研制的有效方法之一。其特點是減少了研制周期,適合于數(shù)量多、批量大,要求聯(lián)合測試的型號。并行組批熱試驗又可分為單空間模擬器多星并行組批熱試驗和單空間模擬器單星并行組批熱試驗。并行熱試驗由于衛(wèi)星多,設(shè)備多,需要判讀和控制的試驗溫度數(shù)據(jù)成倍增加,從而增加了試驗溫度控制難度,但是技術(shù)上可以通過試驗仿真分析或相關(guān)試驗經(jīng)驗解決。
以某遙感衛(wèi)星為例,由3顆衛(wèi)星組成的星座,3顆衛(wèi)星狀態(tài)基本一致。由于星座需要聯(lián)合測試要求及研制周期短的原因,2009年9月,對此3顆衛(wèi)星首次完成并行組批熱試驗,如圖1所示,實現(xiàn)了3顆衛(wèi)星并行熱試驗,同步進(jìn)出工況、聯(lián)合測試的要求。此類型的組批試驗在后續(xù)研制型號中得到極大推廣,多型號采用此組批熱試驗流程,如CAST3000平臺、遙感三十一號系列衛(wèi)星、高分一號系列衛(wèi)星等均組批進(jìn)行系統(tǒng)熱真空試驗,其中更有5星并行熱試驗。
圖1 3顆衛(wèi)星并行熱試驗示意圖
對于裝備型號衛(wèi)星,通過對比對其正樣熱平衡試驗[11]的數(shù)據(jù),衛(wèi)星設(shè)計的繼承性好,熱控分系統(tǒng)的設(shè)計成熟度高,熱平衡試驗的數(shù)據(jù)差別較小。從驗證熱設(shè)計的角度出發(fā),對于裝備型號,進(jìn)行1~2顆裝備星的正樣熱平衡試驗即可獲取較充分的數(shù)據(jù)。東方紅公司形成了小衛(wèi)星系統(tǒng)級熱平衡試驗優(yōu)化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),明確了系列衛(wèi)星的后續(xù)裝備衛(wèi)星或業(yè)務(wù)衛(wèi)星,其技術(shù)狀態(tài)與首發(fā)科研星一致,熱控分系統(tǒng)狀態(tài)與首發(fā)科研星完全一致,可以剪裁熱平衡試驗;如果同批次多顆衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)完全一致,熱控分系統(tǒng)狀態(tài)也一致,則可以選擇其一進(jìn)行熱平衡試驗,其余衛(wèi)星可以剪裁熱平衡試驗。
目前小衛(wèi)星領(lǐng)域系統(tǒng)級力學(xué)試驗[12]一般均是采用單星振動試驗,例如某遙感系列星座衛(wèi)星。這種方式均是每顆衛(wèi)星具備力學(xué)試驗狀態(tài)后,串行開展振動試驗,該種方式較為成熟。并行組批力學(xué)試驗受限較多,只對某些型號適用,但由于衛(wèi)星數(shù)量多,采取一箭多星發(fā)射,可以開展并行組批力學(xué)試驗。目前小衛(wèi)星進(jìn)行并行振動試驗的衛(wèi)星有試驗系列衛(wèi)星雙星、皮納系列衛(wèi)星三星,均是系統(tǒng)級衛(wèi)星串聯(lián)在一起,采用一個振動試驗夾具進(jìn)行的并行試驗。某衛(wèi)星A/B星的特殊構(gòu)型,采用運(yùn)載適配器并行連接,一起并行進(jìn)行振動試驗,證明并行系統(tǒng)級力學(xué)試驗已經(jīng)過試驗驗證。由于并行力學(xué)試驗衛(wèi)星多、設(shè)備多,造成力學(xué)傳感器數(shù)據(jù)量增加,這可以通過開發(fā)自動化判讀軟件與試驗經(jīng)驗解決。
微納衛(wèi)星[13]采用開放式體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范和一體化設(shè)計技術(shù),打破了現(xiàn)有的從系統(tǒng)、分系統(tǒng)到單機(jī)、部件的裝配層級,模糊了機(jī)、電、熱設(shè)計的專業(yè)界限。采用一體化設(shè)計,將衛(wèi)星當(dāng)成一個整體,對力學(xué)性能、熱性能、電磁性能、光學(xué)性能等進(jìn)行綜合設(shè)計、分析與試驗驗證,原有的按裝配層級進(jìn)行試驗劃分的模式已經(jīng)不適用。而且短周期、密集發(fā)射的研制模式也要求在達(dá)成基本驗證目的的前提下,試驗時間盡可能短、試驗效率盡可能高,這決定了現(xiàn)有的試驗方法體系將無法更有效的滿足微納衛(wèi)星對試驗的需求?,F(xiàn)有衛(wèi)星試驗方法體系的很大一部分工作是為了確保衛(wèi)星的長壽命、高可靠,但微納衛(wèi)星對在軌壽命和可靠性的要求與傳統(tǒng)衛(wèi)星存在一定區(qū)別,考慮到微納衛(wèi)星成本低、生產(chǎn)周期短、發(fā)射數(shù)量多等特點,衛(wèi)星設(shè)計壽命與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比一般有所降低,對衛(wèi)星可靠性的要求更側(cè)重于任務(wù)可靠性,這必然會對地面試驗項目的選擇、試驗條件的制定產(chǎn)生一定影響。
為縮短研制周期、降低試驗成本,同時保證試驗方法在產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要作用,針對微納衛(wèi)星研制特點,在方案階段,微納衛(wèi)星研制主要以分析計算代替試驗驗證,指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計改進(jìn);由于衛(wèi)星研制周期短,不再給出明確初樣階段與正樣階段分界,簡化研制流程;產(chǎn)品不再進(jìn)行初樣生產(chǎn)制造,而是直接正樣用于上天飛行,為正檢狀態(tài);在試驗流程上,以準(zhǔn)鑒定級試驗驗證直接正樣的新研產(chǎn)品,以驗收試驗驗證成熟產(chǎn)品,減少試驗項目和成本;正檢狀態(tài)產(chǎn)品通過準(zhǔn)鑒定級試驗后,轉(zhuǎn)正樣狀態(tài)設(shè)計,根據(jù)狀態(tài)更改,需通過分析評估是否進(jìn)行補(bǔ)充試驗。
根據(jù)皮納系列衛(wèi)星的工程研制經(jīng)驗,制定了相應(yīng)的環(huán)境試驗規(guī)范,同時進(jìn)行了試驗流程優(yōu)化,并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。微納衛(wèi)星大量應(yīng)用商用現(xiàn)貨產(chǎn)品(COTS)部組件、工業(yè)技術(shù)和微小型化產(chǎn)品,必須通過產(chǎn)品環(huán)境篩選試驗保證衛(wèi)星的可靠性問題,這也是使用新技術(shù)和COTS部組件可靠應(yīng)用于微納衛(wèi)星的核心問題。微納衛(wèi)星產(chǎn)品環(huán)境試驗要求綜合考慮了標(biāo)準(zhǔn)接口電路板單板環(huán)境應(yīng)力篩選試驗與獨(dú)立組件環(huán)境可靠性試驗,并對環(huán)境試驗矩陣進(jìn)行了適當(dāng)裁剪[14],減小了試驗的時間和成本,并在東方紅公司微納衛(wèi)星部分星上產(chǎn)品中進(jìn)行了初步的實際應(yīng)用。傳統(tǒng)組件級沖擊試驗、磁試驗和電磁兼容性(EMC)試驗等項目可考慮隨整星完成。從裝配層級角度,微納衛(wèi)星將單板級與組件級篩選試驗綜合考慮,也是對層級篩選流程的優(yōu)化。微納衛(wèi)星集成度相對較高,不存在明顯的分系統(tǒng)分界,大量使用電路板功能單元產(chǎn)品,也弱化了單板級和組件級分界,因此比較適宜進(jìn)行裝配層級篩選流程的裁剪和優(yōu)化。
微納衛(wèi)星具有個頭小、批量大和研制周期短等特點,對系統(tǒng)級組批試驗的需求較迫切,因此從皮納一號衛(wèi)星就開始了系統(tǒng)級組批試驗的相關(guān)工作,并在型號研制中進(jìn)行了有益嘗試,取得了較好的效果,積累了經(jīng)驗。微納衛(wèi)星采取了兩種方法進(jìn)行組批試驗。一種是串行組批試驗,即統(tǒng)籌安排,優(yōu)化試驗流程,按照流水線生產(chǎn)的模式進(jìn)行組批試驗;另一種是并行組批試驗,即多顆衛(wèi)星同時進(jìn)行試驗。
隨著越來越多高精度載荷在小衛(wèi)星上的應(yīng)用,微振動已經(jīng)成為影響高精度衛(wèi)星成像質(zhì)量等性能的關(guān)鍵因素。在軌測量數(shù)據(jù)表明:CMG、動量輪、制冷機(jī)、大型部件轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)等是影響較大的擾振源。
從擾振源到高精度載荷影響的全鏈路分析,目前比較簡單可靠的方法是從傳遞路徑入手,分析微振動在整星結(jié)構(gòu)中的傳遞特性,找出影響微振動傳遞特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),進(jìn)而通過安裝隔振器、優(yōu)化構(gòu)型布局和結(jié)構(gòu)材料尺寸等方式減小傳遞到高精度載荷處的微振動。
在微振動防護(hù)的工程實踐中,隔振減振方面,與協(xié)作單位合作研制了橡膠隔振墊,隨遙感三十號衛(wèi)星實現(xiàn)了首飛驗證,隨后相繼在20余顆高分辨率遙感衛(wèi)星上推廣應(yīng)用,隔振效率可達(dá)90%以上,助力高分辨率衛(wèi)星成像質(zhì)量大幅提升。在構(gòu)型布局優(yōu)化方面,在衛(wèi)星微振動試驗中,分別測量了動量輪不同布局方式對相機(jī)安裝處微振動的影響,進(jìn)而對動量輪布局進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化,降低了傳遞到高精度載荷處的微振動,并在后續(xù)型號中推廣應(yīng)用。隨著三超平臺的應(yīng)用,采用安裝隔振器、優(yōu)化構(gòu)型布局等前端抑制手段基本可以滿足分辨率在0.3 m以上的高分辨率衛(wèi)星,對于后續(xù)0.3 m以下甚高分辨率衛(wèi)星而言,微振動的防護(hù)可能需要全鏈路的抑制手段相結(jié)合,從擾振源、傳遞路徑、敏感載荷、圖像處理4個方面進(jìn)行系統(tǒng)級綜合防治,以滿足更高圖像質(zhì)量的要求。
隨著東方紅公司微納衛(wèi)星平臺的發(fā)展,對微納衛(wèi)星型號抗力學(xué)設(shè)計及驗證提出了新的挑戰(zhàn)。微納衛(wèi)星多為搭載形式,運(yùn)載主動段力學(xué)環(huán)境惡劣,且缺少實際遙測數(shù)據(jù)或星箭耦合分析結(jié)果,難以在整星振動試驗過程中制定合理的加載量級。
“十二五”期間,為了改善微納衛(wèi)星平臺力學(xué)環(huán)境,創(chuàng)新性的采用金屬絲減振器設(shè)計了整星隔振措施。新的減振設(shè)計首先在皮納型號初樣星上進(jìn)行了鑒定級力學(xué)試驗驗證,通過分析衛(wèi)星安裝減振墊前后在星上關(guān)鍵位置處的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù),評估星上設(shè)備最佳減振效果可達(dá)到50%~80%左右。隨后,安裝減振器的皮納一號正樣星順利通過了整星驗收級試驗的考核,且型號發(fā)射成功,衛(wèi)星入軌后狀態(tài)正常,金屬絲減振設(shè)計順利完成飛行驗證。
在20千克級皮納型號上應(yīng)用成功后,在“十三五”期間,針對東方紅公司后續(xù)型號的特點,進(jìn)一步優(yōu)化金屬絲隔振器設(shè)計,將應(yīng)用范圍由20千克級提高至100千克級,在整個減振器質(zhì)量不超過2 kg狀態(tài)下,可將正弦或隨機(jī)振動量級衰減至50%,覆蓋東方紅公司全部百千克級微納衛(wèi)星。
截至目前,金屬絲減振器共成功應(yīng)用于十余顆微納衛(wèi)星,均發(fā)射成功。在后續(xù)的工作中,將繼續(xù)攻關(guān)“平臺動力學(xué)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計”,持續(xù)開展整星減振[15]的優(yōu)化和驗證工作,目標(biāo)是將整星減振器適用能力提高至1000 kg。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備對熱控的要求也越來越高。有些控溫精度達(dá)到毫開級,甚至更高的要求。NASA于2002年發(fā)射地球重力場測量(GRACE)雙星,關(guān)鍵部件達(dá)到了每軌0.1 K的熱穩(wěn)定要求;ESA于2009年3月發(fā)射的重力場與穩(wěn)態(tài)洋流探測器(GOCE)其關(guān)鍵部件的溫度穩(wěn)定性達(dá)到了10 mK的水平,美國哈勃望遠(yuǎn)鏡、俄羅斯某偵察衛(wèi)星的相機(jī)控溫精度都在0.1 ℃以上;美國空間干涉測量飛行器(SIM)和空間望遠(yuǎn)鏡(NGST)等空間光學(xué)系統(tǒng)要求控溫精度達(dá)到1 mK。隨著小衛(wèi)星需求的擴(kuò)展,對高精度需求也越來越高,東方紅公司對高精度溫度控制技術(shù)開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究工作,提出了多種高精度溫度控制方法。針對某衛(wèi)星±0.1 ℃高精度控溫要求,提出采用基于分級熱控方法結(jié)合比例-積分-微分(PID)控溫算法的高精度控溫方法,通過仿真和試驗驗證,實現(xiàn)了高精度溫度控制指標(biāo)優(yōu)于每軌0.1 ℃[16],驗證結(jié)果如圖2所示。針對某衛(wèi)星毫開級高精度溫度控制要求,提出采用基于正溫度系數(shù)(PTC)材料結(jié)合PID控溫算法的高精度控溫方法,通過仿真和實驗驗證,實現(xiàn)了高精度控溫指標(biāo)優(yōu)0.01 ℃/200 s[17],驗證結(jié)果如圖3所示。
圖2 ±0.1 ℃高精度控溫驗證結(jié)果
圖3 毫開級高精度控溫驗證結(jié)果
系統(tǒng)級環(huán)境試驗是小衛(wèi)星研制生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),包括力學(xué)試驗和熱真空試驗,環(huán)境試驗的目的與作用包括兩方面,一方面是驗證固有可靠性,驗證產(chǎn)品的設(shè)計與采取的制造工藝是否正確和符合質(zhì)量要求,以確保產(chǎn)品在預(yù)定的工作環(huán)境下正常工作;另一方面是盡量提高產(chǎn)品的使用可靠性,檢驗產(chǎn)品的制造質(zhì)量,盡量在地面暴露元器件、材料及制造工藝中的潛在缺陷,減少早期失效。
試驗數(shù)據(jù)分析是小衛(wèi)星系統(tǒng)級環(huán)境試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)級力學(xué)試驗中,通過對預(yù)示級試驗數(shù)據(jù)分析,以對衛(wèi)星力學(xué)試驗輸入條件[18-19]進(jìn)行詳細(xì)制定,進(jìn)而保證衛(wèi)星受到充分全面考核,通過對滿量級試驗數(shù)據(jù)的分析,從而對小衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性以及系統(tǒng)級篩選做出評估。熱真空試驗相對力學(xué)試驗更為復(fù)雜,需要姿軌控分系統(tǒng)、星務(wù)分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)等各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合,同時輔以地面模擬設(shè)備,綜合實現(xiàn)熱真空試驗的考核目的,保證星上非主動控溫單機(jī)設(shè)備高溫與低溫極盡拉偏,實現(xiàn)32 ℃溫差,充分考核單機(jī)性能,暴露產(chǎn)品缺陷。熱真空試驗的復(fù)雜點與難點在于同時把控星上所有非主動控溫設(shè)備的溫度,這些設(shè)備的溫度受到自身熱特性、附近單機(jī)熱特性、加熱回路、外熱流等多方面的共同影響,因此在進(jìn)行熱真空試驗的過程中,往往需要通過經(jīng)驗,協(xié)調(diào)衛(wèi)星各個分系統(tǒng)、地面試驗?zāi)M實施單位,對衛(wèi)星進(jìn)行控溫。小衛(wèi)星環(huán)境試驗在最初發(fā)展階段,以設(shè)計師經(jīng)驗為依托,在力學(xué)試驗中,通過對衛(wèi)星測點數(shù)據(jù)依次判讀分析,制定整星滿量級試驗條件,并對滿量級試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估;在熱真空試驗中,以人工定時進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、調(diào)溫措施手動記錄、設(shè)備溫度變化規(guī)律人工統(tǒng)計等措施實現(xiàn)熱真空試驗過程的控溫。
隨著時代的發(fā)展,小衛(wèi)星數(shù)量必將呈現(xiàn)井噴式增長,尤其在多星并行試驗且人員數(shù)量有限的情況下,傳統(tǒng)力熱試驗方式將難以滿足發(fā)展需求。東方紅公司在小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)方面不斷創(chuàng)新,基于傳統(tǒng)試驗方式,以智能化、大數(shù)據(jù)為依托,不斷深入研究。在力學(xué)試驗方面,進(jìn)行了力學(xué)試驗數(shù)據(jù)智能分析算法、試驗條件智能判定方式、特征數(shù)據(jù)智能對比等一系列研究;在熱真空試驗方面,進(jìn)行了熱真空試驗數(shù)據(jù)智能存儲方式、設(shè)備溫度發(fā)展趨勢分析算法、控溫方式智能閉環(huán)控制等一系列研究。
環(huán)境試驗效應(yīng)分析是通過對環(huán)境試驗數(shù)據(jù)及其相關(guān)的產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)的分析,確定環(huán)境試驗對產(chǎn)品設(shè)計驗證和故障篩選的有效性。組件級產(chǎn)品、衛(wèi)星系統(tǒng)級、環(huán)境試驗設(shè)計等各個層面都需要進(jìn)行環(huán)境效應(yīng)分析,各有其對小衛(wèi)星研制技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用?;谝殉晒Πl(fā)射的120余顆小衛(wèi)星,完成近200次系統(tǒng)級振動試驗,140多次的衛(wèi)星系統(tǒng)級熱真空試驗,已積累了一定的環(huán)境試驗效應(yīng)分析的經(jīng)驗和數(shù)據(jù),在組件級、衛(wèi)星系統(tǒng)級層面發(fā)揮了一定的作用。通過整星及艙段微振動試驗識別了星上擾振源的響應(yīng)量級,得到了擾振源在星上的傳遞特性,開展了微振動抑制設(shè)計,確保光學(xué)相機(jī)關(guān)鍵位置的響應(yīng)量級滿足成像要求。通過在軌驗證,有效的保證了可見光相機(jī)在軌成像質(zhì)量。通過力學(xué)振動試驗,有效驗證了整星的結(jié)構(gòu)設(shè)計,解決了結(jié)構(gòu)局部設(shè)計余量不足,試驗中超過結(jié)構(gòu)局部承載能力,導(dǎo)致蜂窩芯子失穩(wěn)或破壞等問題;檢驗衛(wèi)星經(jīng)受驗收級力學(xué)振動環(huán)境的能力,暴露衛(wèi)星材料、元器件和工藝等方面的缺陷。通過整星熱真空試驗,暴露了衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)控溫、軟件、元器件失效等方面的問題,檢驗了星上各分系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)受熱真空環(huán)境的工作能力。
要在環(huán)境試驗設(shè)計層面發(fā)揮作用,尚需更多的子樣和深入的分析研究。
本文針對在20年來東方紅公司在小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)方面的研究成果進(jìn)行回顧,總結(jié)了在小衛(wèi)星環(huán)境剖面、環(huán)境試驗設(shè)計、星上環(huán)境控制、環(huán)境試驗及其效應(yīng)分析等方面的研究經(jīng)驗。這些研究方向和經(jīng)驗體現(xiàn)了較為全面的小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)架構(gòu)。但也可以看出在各個方面還存在不能完全滿足小衛(wèi)星研制需要的問題,小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)需要進(jìn)一步向深度和廣度發(fā)展。
首先,小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)能力需要進(jìn)一步提升。虛擬試驗技術(shù)是在衛(wèi)星設(shè)計階段進(jìn)行較好設(shè)計驗證的方法,也是小衛(wèi)星環(huán)境試驗剪裁的基礎(chǔ)。虛擬試驗技術(shù)是理論分析與試驗數(shù)據(jù)分析融合的技術(shù)方法,大量試驗數(shù)據(jù)的積累是提高這個方法有效性的前提條件。前期的技術(shù)積累已具備發(fā)展虛擬試驗技術(shù)的基礎(chǔ)條件。環(huán)境效應(yīng)分析是提高環(huán)境試驗設(shè)計(試驗計劃、試驗條件)有效性的必要條件。利用已有的大量試驗數(shù)據(jù)及其衛(wèi)星測試和在軌的信息,對環(huán)境試驗設(shè)計的有效性進(jìn)行系統(tǒng)性分析,能夠?qū)罄m(xù)的批產(chǎn)小衛(wèi)星、微納衛(wèi)星、小衛(wèi)星新平臺等的環(huán)境試驗設(shè)計提供有力支撐。振動、微振動環(huán)境防護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,不僅有助于提升衛(wèi)星性能指標(biāo),還能夠因改進(jìn)產(chǎn)品的環(huán)境試驗設(shè)計而有利于產(chǎn)品設(shè)計。
其次,小衛(wèi)星環(huán)境試驗技術(shù)要預(yù)見小衛(wèi)星發(fā)展趨勢,以小衛(wèi)星未來的需求為技術(shù)發(fā)展方向。利用小衛(wèi)星建設(shè)空間網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行深空探測、空間組裝等技術(shù)已進(jìn)入應(yīng)用,用戶提出小衛(wèi)星需求的重要內(nèi)容之一是輕小型、低成本、能量產(chǎn)。這些需求指出了對現(xiàn)有試驗設(shè)計方案的剪裁、提高試驗效率等研究方向。要分析新型小衛(wèi)星在其環(huán)境剖面上新的敏感點,研究如何對不同壽命需求、不同批產(chǎn)數(shù)量的衛(wèi)星采用不同的試驗方案。在試驗中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)識別與分析,影響衛(wèi)星關(guān)鍵性能環(huán)境的識別及其防護(hù)和面對更復(fù)雜環(huán)境的試驗有效性評估等技術(shù)都需要不斷進(jìn)行研究,才能進(jìn)一步發(fā)揮促進(jìn)小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的作用。