吳永康，翟正一，毛曉楠，劉冰，宋卿爭

（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109； 2.上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109）

引言

星敏感器是一種以恒星為基準(zhǔn)，通過星圖識(shí)別實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測量的精密儀器，是目前空間領(lǐng)域精度最高的姿態(tài)敏感器[1,2]。星敏感器為弱光探測，在軌長期連續(xù)工作，不可避免的受到太陽、月球、地氣光、航天器外表面及部件散射等全部或者部分雜光源的干擾，遮光罩是抵御雜散光干擾的第一道防線[3,4]。通過合理的遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)部腔體涂覆吸收率較高的涂層，對雜散光遮擋和吸收，可以實(shí)現(xiàn)一定角度的雜散光抑制能力，進(jìn)而提高星敏感器在軌長期正常工作的能力。一直以來，遮光罩設(shè)計(jì)是星敏感器研制的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。雜散光抑制角指標(biāo)越小，遮光罩設(shè)計(jì)難度越大，為了提高雜散光抑制能力，應(yīng)對復(fù)雜的軌道光照環(huán)境，遮光罩的口徑和長度尺寸需要相應(yīng)增大，此時(shí)一般采用薄壁結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。為了提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一些載荷類的空間相機(jī)往往采用高強(qiáng)度低密度的碳纖維復(fù)合材料加工遮光罩[6,7]，而星敏感器用的小型遮光罩則通常使用比強(qiáng)度較高的金屬材料，如鋁合金或鎂合金加工，既可降低生產(chǎn)成本又便于鍍涂消光層。為了規(guī)避火箭發(fā)射階段沖擊振動(dòng)環(huán)境下的力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，在遮光罩設(shè)計(jì)定型前，均需要在地面通過鑒定級的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核，對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核。

本文針對某星敏感器遮光罩在鑒定級隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)期間出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象開展仿真分析和問題定位，之后提出了四種不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對比了優(yōu)化結(jié)果，確定了最終的技術(shù)方案，有效提高了遮光罩強(qiáng)度安全裕度，經(jīng)重新投產(chǎn)實(shí)物驗(yàn)證，通過了試驗(yàn)考核。

1 試驗(yàn)現(xiàn)象

某星敏感器新研遮光罩，包絡(luò)尺寸為Φ168.8 mm×189.7 mm，重量約445 g，材料為鋁合金。該遮光罩由外殼體和五片擋光環(huán)組成，圖1 為其遮光罩模型剖視圖。遮光罩通過四個(gè)M4 規(guī)格鈦合金螺釘安裝至星敏感器本體上，隨整機(jī)開展鑒定級隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)依次按照X 方向、Y 方向、Z 方向的順序進(jìn)行，其中各方向的定義見圖1 左下角坐標(biāo)系。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)量級見表1。

圖1 遮光罩模型剖視圖

表1 鑒定級隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

在Z 方向試驗(yàn)過程中，現(xiàn)場人員聽見異常聲響，隨即中止試驗(yàn)，振動(dòng)臺(tái)停止過程中可見遮光罩出現(xiàn)較大幅度晃動(dòng)，試驗(yàn)中止后，遮光罩殼體斷裂為兩截。圖2 為試驗(yàn)后的遮光罩實(shí)物。

圖2 試驗(yàn)后遮光罩實(shí)物

2 故障原因分析

針對遮光罩?jǐn)嗔熏F(xiàn)象，重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面開展了分析。

1）加工缺陷：如斷裂位置存在凹坑、較深的劃傷等，可能造成振動(dòng)試驗(yàn)期間局部應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展，直至斷裂。經(jīng)查，該批遮光罩通過了出廠檢驗(yàn)，且在零件表面處理、組件裝配過程中，均未發(fā)現(xiàn)存在上述缺陷；且同批加工的遮光罩，在相同部位外觀良好，因此排除該原因。

2）尺寸超差：按照圖紙要求，斷裂處的壁厚為0.7 mm，公差為±0.05 mm，若實(shí)物加工尺寸向負(fù)方向超差，導(dǎo)致遮光罩壁厚更薄，則可能導(dǎo)致強(qiáng)度下降，遮光罩發(fā)生斷裂。實(shí)際測得斷裂處厚度為0.71 mm，因此排除該原因。

3）試驗(yàn)量級超差：若因?yàn)檎駝?dòng)臺(tái)設(shè)備問題，或者試驗(yàn)人員操作設(shè)置問題，導(dǎo)致實(shí)際的試驗(yàn)量級，超出鑒定級的試驗(yàn)條件要求，也可能導(dǎo)致遮光罩過載，發(fā)生斷裂。經(jīng)比對三個(gè)方向的試驗(yàn)曲線，均在容差范圍內(nèi)。

4）設(shè)計(jì)裕度不足：在排除上述原因后，重點(diǎn)對遮光罩的設(shè)計(jì)裕度進(jìn)行復(fù)核。遮光罩安裝至星敏感器本體后，類似一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，一般根部為應(yīng)力最大位置。實(shí)際斷裂位置位于從安裝法蘭面向上第二個(gè)臺(tái)階處，如圖3中放大圖所示，該處壁厚為0.7 mm，殼體上下段的直徑過渡尺寸較大，設(shè)計(jì)了半徑6 mm 的倒圓角；而遮光罩根部處壁厚為1.2 mm，更為靠近法蘭面的第一個(gè)臺(tái)階處壁厚為1 mm，且該處殼體上下段的直徑過渡尺寸較小。相比之下，斷裂部位更為薄弱，實(shí)際斷裂位置基本位于第二個(gè)臺(tái)階倒圓角邊緣。通過尺寸分析，存在設(shè)計(jì)安全裕度不足，導(dǎo)致振動(dòng)試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 遮光罩局部尺寸

對遮光罩進(jìn)行有限元仿真分析，整機(jī)有限元模型見圖4，對四個(gè)安裝腳施加固定約束，并按照鑒定級的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件施加載荷，三個(gè)方向的分析結(jié)果見圖5。

圖4 星敏感器整機(jī)有限元模型

圖5 隨機(jī)振動(dòng)仿真分析應(yīng)力云圖（3σ）

遮光罩材料為鋁合金2A12 棒材，材料狀態(tài)為H112，屈服應(yīng)力為255 MPa。按照衛(wèi)星設(shè)計(jì)與建造規(guī)范，對于屈服載荷的安全系數(shù)一般不小于1.35，則許用應(yīng)力為188.9 MPa。從仿真分析結(jié)果看，三個(gè)方向的最大應(yīng)力值分別為196.89 MPa、206.08 MPa 和67.82 MPa，其中X方向和Y 方向的最大應(yīng)力值已經(jīng)超出許用應(yīng)力，安全裕度不足。同時(shí)，經(jīng)檢查分析結(jié)果，遮光罩其余部位的應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

從圖5 應(yīng)力云圖上可以看出，最大應(yīng)力的分布位置與實(shí)際斷裂位置高度吻合。但與試驗(yàn)現(xiàn)象不同之處在于，X 和Y 方向的應(yīng)力值明顯大于Z 方向，是后者的三倍之多，Z 方向的最大應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)；而試驗(yàn)期間，卻是在Z 方向的振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)遮光罩殼體斷裂。因此推測在X 方向和Y 方向的振動(dòng)過程中，遮光罩已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形乃至產(chǎn)生裂紋，在Z 方向隨機(jī)振動(dòng)載荷激勵(lì)下，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致遮光罩殼體整體斷裂。

為驗(yàn)證該推斷，再次開展隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。按照仿真分析，遮光罩最大應(yīng)力分布情況是Z 方向﹤X 方向﹤Y方向，因此本輪試驗(yàn)按照Z 方向、X 方向、Y 方向的順序依次開展，試驗(yàn)現(xiàn)場見圖6。

圖6 第二次振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場

試驗(yàn)過程中，在每個(gè)方向的振動(dòng)完成后，均對遮光罩進(jìn)行檢查。其中，Z 方向和X 方向的兩次振動(dòng)后，遮光罩外觀均完好；在最后一次振動(dòng)，即Y 方向的振動(dòng)試驗(yàn)后，經(jīng)檢查，之前斷裂位置所在的局部再次出現(xiàn)了裂紋，詳見圖7，問題得到復(fù)現(xiàn)，且與按仿真分析結(jié)果得到的推斷一致。

圖7 遮光罩振動(dòng)后局部斷裂

3 遮光罩優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對遮光罩?jǐn)嗔褑栴}，為增加薄弱位置的強(qiáng)度，共設(shè)計(jì)四個(gè)優(yōu)化方案，見圖8。

圖8 遮光罩優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1）方案1：增加斷裂位置處的壁厚至1 mm；

2）方案2：增加斷裂位置處的圓角半徑至10 mm；

3）方案3：綜合方案1 和方案2，增加壁厚至1 mm且增加圓角半徑至10 mm；

4）方案4：將直角過渡改為斜角過渡，且增加壁厚至1 mm。

按照鑒定級的隨機(jī)振動(dòng)條件，對優(yōu)化后的遮光罩再次仿真分析，分析結(jié)果見表2。

表2 各優(yōu)化方案下遮光罩最大應(yīng)力

從分析結(jié)果看，各優(yōu)化方案下，遮光罩最大應(yīng)力值均有不同程度下降，且各向應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，說明設(shè)計(jì)改進(jìn)有效。其中方案3 和方案4 應(yīng)力降幅最大，而方案4 應(yīng)力值最小且對應(yīng)的遮光罩重量減少約15 g，因此最終確定選用方案4 作為優(yōu)化后的設(shè)計(jì)狀態(tài)。方案4 的應(yīng)力云圖見圖9。

圖9 選定遮光罩優(yōu)化方案的應(yīng)力云圖

更改前后最大應(yīng)力對比見表3。

表3 遮光罩更改前后最大應(yīng)力值對比

按照優(yōu)化設(shè)計(jì)狀態(tài)重新生產(chǎn)遮光罩并開展試驗(yàn)，試驗(yàn)后，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)論

針對某星敏感器遮光罩在鑒定級隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)期間出現(xiàn)的殼體斷裂現(xiàn)像開展排查，經(jīng)有限元仿真分析定位的最大應(yīng)力位置與斷裂位置吻合，超過了材料的許用應(yīng)力，說明原設(shè)計(jì)安全裕度不足。對比了四種優(yōu)化方案下，薄弱位置的應(yīng)力變化情況，最終選定通過優(yōu)化遮光罩殼體的結(jié)構(gòu)形式，將直角過渡改為斜角過渡，并增加壁厚，在不改變包絡(luò)尺寸和安裝接口的前提下，有效降低了應(yīng)力水平，提高了遮光罩的安全裕度，最終通過了試驗(yàn)考核。