王曉燕 李 林 白 山 鐘 俊 隋 杰 王苗苗 王艷寶

極高星敏SiC/Al主法蘭微形變?cè)O(shè)計(jì)制造與性能評(píng)價(jià)

王曉燕 李 林 白 山 鐘 俊 隋 杰 王苗苗 王艷寶

（北京控制工程研究所 空間光電測(cè)量與感知實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

極高星敏主法蘭采用SiC/Al復(fù)合材料開(kāi)展設(shè)計(jì)，通過(guò)多點(diǎn)對(duì)稱輻射分布式子柔性單元布局方式實(shí)現(xiàn)主法蘭的微形變，以保證其高剛度和高穩(wěn)定性。探討了多點(diǎn)對(duì)稱輻射分布式柔性結(jié)構(gòu)的剛度問(wèn)題，對(duì)多點(diǎn)對(duì)稱輻射分布式柔性主法蘭進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，獲取最佳結(jié)構(gòu)分布，實(shí)現(xiàn)了極端力、熱環(huán)境下SiC/Al主法蘭微米尺度形變?cè)O(shè)計(jì)與制造；通過(guò)工程分析和試驗(yàn)完成了主法蘭的性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明主法蘭相對(duì)變形為9μm、熱穩(wěn)定為0.05″/℃，基頻為160Hz，柔性單元位置的應(yīng)力為76MPa，消除了整機(jī)力熱試驗(yàn)低頻漂移和高頻紊亂現(xiàn)象，整機(jī)具有較高的力熱環(huán)境適應(yīng)性。

極高星敏；主法蘭；SiC/Al復(fù)合材料；微形變

1 引言

星敏感器和空間目標(biāo)監(jiān)視相機(jī)是空間指向測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的典型高精度儀器載體。目前美國(guó)BALL公司研制的HAST敏感器[1]，姿態(tài)指向測(cè)量精度可達(dá)0.04″，也是世界上精度最高的星敏感器。Lockheed Martin公司的一體化敏感器AST301[2]精度達(dá)到0.5″，北京控制工程研究所研制的超高精度敏感器已在軌實(shí)現(xiàn)0.2″精度[2]。這類高精度指向測(cè)量敏感器多采用分體式結(jié)構(gòu)以保證高穩(wěn)定與低熱漂移。

主法蘭作為星敏感器的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)[3]，為整機(jī)提供安裝基礎(chǔ)和支撐，并作為對(duì)外安裝的機(jī)械接口，在特定安裝形式下，需要具有較高的剛度、強(qiáng)度，同時(shí)應(yīng)具備很好的動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)穩(wěn)定性和熱適應(yīng)性[3～6]。SiC/Al復(fù)合材料除了具有基體金屬具備的良好的抗沖擊性能、抗疲勞性能、導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能和抗斷裂性能以外，還具有較高耐磨性能和較低熱膨脹系數(shù)，其材料強(qiáng)度、剛度都很高[7，8]，非常適用于極高星敏主法蘭的設(shè)計(jì)制造。此外，柔性支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)特殊設(shè)計(jì)可有效釋放結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的形變[9]，通過(guò)對(duì)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行柔性多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具備力學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)，滿足熱環(huán)境變化的影響問(wèn)題，通過(guò)結(jié)構(gòu)柔性環(huán)節(jié)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變釋放，以滿足極高星敏的高穩(wěn)定需求。SiC/Al復(fù)合材料具有良好的比剛度和熱穩(wěn)定性，可用以開(kāi)展極高星敏的主法蘭設(shè)計(jì)、制造。

極高星敏作為我國(guó)目前精度最高的星敏感器，指向測(cè)量精度達(dá)到0.1″，針對(duì)極高星敏主法蘭開(kāi)展了微形變?cè)O(shè)計(jì)，對(duì)SiC/Al復(fù)合材料進(jìn)行了輕量化，通過(guò)分布式柔性單元?jiǎng)偠忍匦赃M(jìn)行了探討，設(shè)計(jì)了具備良好力、熱穩(wěn)定性的主法蘭結(jié)構(gòu)，完成了主法蘭的生產(chǎn)制造，通過(guò)工程分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了主法蘭的性能評(píng)價(jià)。

2 SiC/Al主法蘭設(shè)計(jì)與制造

2.1 主法蘭剛度

多點(diǎn)對(duì)稱輻射分布式柔性主支撐結(jié)構(gòu)可看做具有多個(gè)剛性和阻尼系數(shù)的柔性阻尼系統(tǒng)，每一個(gè)柔性環(huán)節(jié)看做一個(gè)單元，每個(gè)單元具有三個(gè)互相垂直方向上的剛度，如圖1所示，即分別沿軸、軸、軸方向的剛度，主結(jié)構(gòu)平行于極高精度光學(xué)儀器坐標(biāo)系軸，沿切線方向，沿徑向方向[10]。

圖1 多點(diǎn)對(duì)稱輻射分布式柔性原理示意圖

分析可知，多點(diǎn)對(duì)稱輻射分布式柔性結(jié)構(gòu)的耦合剛度為零[10]，對(duì)稱輻射分布的子單元可以實(shí)現(xiàn)極高星敏系統(tǒng)輸入平動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的形變解耦。

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常分為兩種模型：集中柔性與分布柔性，如圖2所示。通常情況下，集中柔性提供了較大的軸向剛度，使得徑向剛度很大的同時(shí)存在應(yīng)力大的問(wèn)題，而分布式柔性所承受的載荷分布于柔性全環(huán)節(jié)，改善了應(yīng)變與應(yīng)力的分布環(huán)境。

圖2 集中柔性（左）與分布柔性（右）原理示意圖

本文提出的多點(diǎn)對(duì)稱輻射分布式柔性主結(jié)構(gòu)具有多個(gè)相同的柔性環(huán)節(jié)，每個(gè)柔性環(huán)節(jié)具有不同的參數(shù)，如圖3所示。主結(jié)構(gòu)承載了整機(jī)的全部有效載荷，重量為18.2kg，圖3中建立了以主結(jié)構(gòu)幾何形心為圓心、橫軸/軸及平面法線為軸的坐標(biāo)系。l表示柔性單元F距離點(diǎn)的徑向距離，M,N分別表示柔性單元在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，θ表示柔性單元F與軸夾角。柔性單元F具有回轉(zhuǎn)半徑F和兩側(cè)的歐拉梁，兩側(cè)歐拉梁的長(zhǎng)度分別為l1, l2，其對(duì)應(yīng)的寬度和厚度分別為A1, B1和A2, B2。這些參數(shù)為主法蘭設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)。

圖3 參數(shù)定義

2.3 成型制造

圖4 主法蘭3D模型

通過(guò)光機(jī)熱聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)[6]，最終設(shè)計(jì)的極高星敏主法蘭結(jié)構(gòu)如圖4所示，結(jié)構(gòu)核心參數(shù)見(jiàn)表1，柔性單元距離法蘭中心128mm、168mm，歐拉梁長(zhǎng)度6mm，歐拉梁對(duì)應(yīng)的寬度分別為7mm、26mm，柔性單元回轉(zhuǎn)半徑26mm。完成了主法蘭的設(shè)計(jì)成型。

表1 主結(jié)構(gòu)柔性單元參數(shù) mm

圖5 SiC/Al復(fù)合材料加工后表面示意圖[8]

圖6 加工成型后的SiC/Al主法蘭

SiC/Al復(fù)合材料由鋁基體和SiC顆粒組成，材料硬度高、脆性大，屬于難加工材料[11]，加工過(guò)程容易出現(xiàn)SiC顆粒的殘留與切出，表面會(huì)產(chǎn)生凸起與凹坑，如圖5所示，使加工表面質(zhì)量變差；同時(shí)，在切削過(guò)程中，切削應(yīng)力與熱應(yīng)力作用下材料的非彈性變形功轉(zhuǎn)化為熱能，熱膨脹進(jìn)一步引起工件結(jié)構(gòu)變形，加劇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非彈性變形能[12]，這將影響主法蘭結(jié)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性。為保證主法蘭剛度，同時(shí)保證安裝面具有足夠高的平面度，在安裝位置處進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，每個(gè)安裝點(diǎn)位置凸臺(tái)高度0.5mm，在主法蘭加工成型后，通過(guò)研磨方式實(shí)現(xiàn)安裝面的精度要求。最終加工成型的主法蘭如圖6所示。

3 性能評(píng)價(jià)

3.1 工程分析

工程分析可在設(shè)計(jì)階段對(duì)極高星敏的整機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行仿真，分析其薄弱位置的力學(xué)特性，并能夠評(píng)價(jià)整機(jī)的熱性能，圖7給出了極高星敏主法蘭在極端力學(xué)環(huán)境下的力學(xué)響應(yīng)情況，最大形變6μm，橫向、縱向基頻分別為160Hz、319Hz，滿足使用需求。

圖7 工程分析結(jié)果

3.2 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證極高星敏主法蘭的穩(wěn)定性，對(duì)設(shè)計(jì)后的極高星敏進(jìn)行了極端環(huán)境力、熱試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示，試驗(yàn)后對(duì)主法蘭進(jìn)行形變測(cè)量，結(jié)果表明極高星敏主法蘭的相對(duì)變形為9μm、熱穩(wěn)定為0.05″/℃，滿足空間指向0.1″的使用需求。同時(shí)該多點(diǎn)對(duì)稱輻射分布式柔性設(shè)計(jì)消除了力熱低頻漂移和高頻紊亂現(xiàn)象，整機(jī)具有較高的力熱穩(wěn)定性。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)極高星敏空間極高精度指向測(cè)量需求，分析了其力、熱極端環(huán)境下主法蘭高穩(wěn)定性的影響因素：光學(xué)鏡頭安裝界面的相對(duì)變形和光學(xué)指向指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，采用SiC/Al復(fù)合材料開(kāi)展主法蘭的設(shè)計(jì)制造。仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，SiC/Al主法蘭光學(xué)鏡頭安裝面的相對(duì)變形為9μm、熱穩(wěn)定為0.05″/℃，具有良好的力熱穩(wěn)定性。主法蘭采用SiC/Al復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造可在同類產(chǎn)品中進(jìn)行推廣。

1 Michaels D, Speed J. Ball aerospace star tracker achieves high tracking accuracy for a moving star field[C]//2005 IEEE Aerospace Conference, 2005: 1～7

2 袁利，王苗苗，武延鵬，等. 空間星光測(cè)量技術(shù)研究發(fā)展綜述[J]. 航空學(xué)報(bào)，2020，41(8)：7～18，2

3 余成武，隋杰，陳超，等. 高分七號(hào)衛(wèi)星多探頭甚高精度星敏感器熱設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 航天器工程，2020，29(3)：144～150

4 江帆，吳清文，王忠素，等. 星敏感器支架的結(jié)構(gòu)/熱穩(wěn)定性分析及驗(yàn)證[J]. 紅外與激光工程，2015，44(11)：3463～3468

5 李林，王棟，譚陸洋，等. 微小衛(wèi)星星敏感器支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 光學(xué)精密工程，2016，24(6)：1352～1358

6 隋杰，程會(huì)艷，余成武，等. 星敏感器光軸熱穩(wěn)定性仿真分析方法[J]. 空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2017，43(4)：37～41

7 周艷華. 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要制備技術(shù)[J]. 工具技術(shù)，2017(4)：7～10

8 王旭. 鋁基碳化硅微切削仿真方法及表面完整性研究[D]. 長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2019

9 劉婧，余成武，鐘紅軍，等. 高精度星敏感器遮光罩柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]．空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2018，44(6)：1～55

10 李林. 一體化高分辨率光學(xué)衛(wèi)星飛輪微振動(dòng)機(jī)理與抑制方法[D]. 北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2018

11 董輝躍，柯映林. 銑削加工中薄壁件裝夾方案優(yōu)選的有限元模擬[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004，38(1)：17～21

12 葛英飛，徐九華，楊輝. SiCp/Al復(fù)合材料超精密車削切屑形成機(jī)制及形成過(guò)程模型[J]. 兵工學(xué)報(bào)，2015，36(5)：911～920

Design, Manufacture and Evaluation of Micro-deformation of SiC/Al Main Flange for Ultra-high Star Tracker

Wang Xiaoyan Li Lin Bai Shan Zhong Jun Sui Jie Wang Miaomiao Wang Yanbao

(Space Optoelectronic Measurement and Perception Lab., Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

The main flange is designed with SiC/Al material, and micro-deformation of main flange is realized through muti-point symmetric radiation distributed flexible unit layout to ensure its good performance. The stiffness of muti-point symmetric radiation distributed flexible structure is discussed, and the lightweight design is carried out, which realizes the micro-deformation design and manufacturing. Engineering analysis and experiment is carried out to further proved the performance of main flange. The results show that the micro-deformation of SiC/Al main flange is 9μm, thermo stability is 0.05″/℃, first order frequency is 160Hz, and the stress in flexible unit is 76MPa. This method eliminates the low-frequency drift and high-frequency disturbance of the response curves.

ultra-high star tracker；main flange；SiC/Al；micro-deformation

V448．224

A

國(guó)家航天重大工程專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51905034、No.52275083）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.2021YFB3203100）。

王曉燕（1980），高級(jí)工程師，光學(xué)工程專業(yè)；研究方向：空間光學(xué)敏感器精密設(shè)計(jì)。通訊作者：李林（1989），博士，高級(jí)工程師，光學(xué)工程專業(yè)；研究方向：空間光電測(cè)量與智能感知技術(shù)。

2022-09-07