唐斌 馬靈犀 張一鵬 秦江 李騰飛 孟曉亮

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

北京三號A/B衛(wèi)星是中國首次采用了超敏捷、超穩(wěn)定、超高精度的三超平臺技術、具備復雜敏捷動中獲取影像能力的新一代遙感衛(wèi)星,是國內唯一可實現(xiàn)任意地面軌跡目標成像能力的超敏捷衛(wèi)星,在光學遙感衛(wèi)星領域具備極強的競爭力。衛(wèi)星采用全方位、任意航跡和可見光、多光譜成像手段,可為全球市場提供大量的高分辨遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和信息產品,為國土資源管理、農業(yè)調查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市綜合應用等領域提供更高精度、更高效、更廣泛的應用服務。

本文以北京三號B衛(wèi)星作為設計對象,針對其任務特點與需求,在參考和繼承敏捷遙感衛(wèi)星平臺的基礎上[1-4],通過分析三超平臺這一新技術特點,開展了衛(wèi)星的構型布局設計與優(yōu)化[5-7],提出了適用于三超平臺的新一代敏捷遙感衛(wèi)星構型方案。經衛(wèi)星在軌驗證,該構型設計滿足了衛(wèi)星的任務要求,實現(xiàn)了相關的任務指標,可為后續(xù)裝備三超平臺的同類衛(wèi)星構型布局設計提供參考。

1 任務需求分析

北京三號A/B衛(wèi)星作為國內首次采用三超平臺技術、具備超高敏捷、超高穩(wěn)定、超高精度獲取影像能力的新一代敏捷遙感衛(wèi)星,對衛(wèi)星的構型布局設計提出了新的需求。

1)高分辨成像的需求

為實現(xiàn)衛(wèi)星高分辨成像的要求,北京三號B衛(wèi)星配置了具有超長焦距的大口徑相機。其中載荷相機的自身尺寸會占據(jù)星上大部分空間,這就對衛(wèi)星的構型設計、設備布局、總裝設計等都提出了較高的要求。

2)相機高精度指向及快速穩(wěn)定的需求

北京三號B衛(wèi)星配備了三超平臺,通過安裝在相機與平臺之間的指向隔振機構(VIPPS)進行主動控制,實現(xiàn)相機的精準指向與快速穩(wěn)定控制。在進行構型設計時,需要綜合考慮相機與平臺之間的關系,從總體最優(yōu)的角度出發(fā),探索一體化設計方法[8-10],尋求滿足布局空間且控制精度最優(yōu)的構型方案。

3)衛(wèi)星超高敏捷機動能力的需求

為了實現(xiàn)衛(wèi)星超高敏捷成像的能力,一方面需要配備多臺大力矩的控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,CMG);另一方面也要求衛(wèi)星的轉動慣量盡量小。因此在進行布局設計時,應充分考慮衛(wèi)星的質量特性,盡量使衛(wèi)星設備的布局均勻、緊湊。

2 構型布局設計方案

2.1 整星構型布局設計

依據(jù)任務需求,開展了北京三號B衛(wèi)星的整星構型布局優(yōu)化設計。在充分考慮大口徑載荷相機和指向隔振機構的特點、星上各分系統(tǒng)設備的安裝布局要求、電源分系統(tǒng)對太陽翼電池陣面積的需求、熱控相關技術要求、以及敏捷型遙感衛(wèi)星需要整星轉動慣量盡量小、總裝操作應方便可靠等相關要求的前提下,北京三號B衛(wèi)星整體采用了六棱柱型的敏捷衛(wèi)星構型形式,如圖1所示。該六棱柱式的衛(wèi)星構型具備以下特點。

圖1 北京三號B衛(wèi)星構型示意圖

(1)布局緊湊,提高了衛(wèi)星敏捷能力。衛(wèi)星以載荷相機為中心,平臺設備圍繞在其四周進行布局,能夠很好的縮短設備與衛(wèi)星軸線之間的距離,從而降低整星的轉動慣量,獲得更好的敏捷性能。同時,北京三號B衛(wèi)星星上設備較多,采用六棱柱的構型方式能夠為設備提供更多的安裝平面,更好地利用星上空間,布局也會更加均勻、緊湊;與多棱柱的構型相比,六棱柱構型下單板能夠提供更大的設備安裝面面積,且單板尺寸與衛(wèi)星平臺設備的單機尺寸匹配性更好,對設備布局的限制也會更少。

(2)有利于太陽翼周向布局的設計。北京三號B衛(wèi)星六棱柱型的構型形式,可以方便地對太陽翼進行周向布局設計。針對電源分系統(tǒng)所提出的8.4m2太陽翼電池陣面積要求,該構型形式能將其分解為3個2.8m2太陽翼電池陣,并間隔120°分布,從而減小單個太陽翼展開狀態(tài)下的外形尺寸,同時將太陽翼設計為帶有剛性支撐的結構形式,通過撐桿與厚側板相連,提高了太陽翼展開時的剛度,消除電池陣轉動對成像和控制系統(tǒng)的影響,降低太陽翼柔性對衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定的擾動。此外六棱柱的構型形式可實現(xiàn)3個太陽翼與3個星敏感器的間隔布局,有效地保證了星敏感器的視場需求。

(3)提升了總裝可操作性。北京三號B衛(wèi)星采用了3塊厚側板與3塊薄側板間隔布置的設計。厚側板作為衛(wèi)星主承力結構的一部分,用于布置平臺設備及太陽翼,其在總裝測試的大部分時間里處于合板狀態(tài);而3塊薄側板則不布置設備,在總裝測試階段可以暫時拆下,用工藝側板代替。因此在進行總裝操作時,保證了3個開放的總裝操作窗口,可以方便地從厚側板兩側進行設備拆裝、電纜插拔與綁扎以及艙內狀態(tài)確認等工作,有效地減少了衛(wèi)星開合板次數(shù),提升了總裝操作的便捷性,優(yōu)化了總裝操作流程。

通過分析相機載荷、指向隔振機構等的安裝要求,北京三號B衛(wèi)星采用了“中心承力筒+箱板”的結構形式。中心承力筒作為主要的承力結構,強度高、穩(wěn)定性好,而箱板結構則為儀器設備提供了良好的安裝面,兩者相結合,既保證了結構強度要求,又為設備提供了更加靈活、充分的布局空間。

相機為立式安裝,相機主承力板僅通過沿圓周間隔分布的3組解鎖器和3組指向隔振機構與中心承力筒上端面直接連接,該安裝方式合理利用了復合材料中心承力筒的優(yōu)勢,為載荷與指向隔振機構提供了高強度、高穩(wěn)定性的安裝平面,降低了結構變形對成像質量的影響,同時也使載荷與結構的連接形式更加簡潔,避免載荷與平臺產生過多耦合。相機后光學的突出部分尺寸體積較大,該布局形式可以使其沉入到承力筒內部,充分利用了星內布局空間。承力筒的下端框設計為對接環(huán)的形式,與運載直接對接,實現(xiàn)了載荷與運載器之間的傳力,傳力路徑直接有效。

70L大容量貯箱通過支架安裝在承力筒的下半部分,既保證了足夠的安裝強度,又縮短了與衛(wèi)星軸線的安裝距離,滿足大容量貯箱中心軸與相機光軸盡量重合的要求,降低了衛(wèi)星轉動慣量。

此外,衛(wèi)星配備了5個大輸出力矩的CMG組成陀螺群,通過支架安裝在中心承力筒的外壁上,既滿足了五棱錐空間構型的要求,又充分利用了衛(wèi)星平臺艙的可用空間,使衛(wèi)星整體結構緊湊,慣量更小。承力筒結構在CMG支架安裝位置均設置了桁條,保證了其安裝剛度;同時CMG支架與結構連接部分加裝了隔振墊,減小了微振動對姿態(tài)測量精度和衛(wèi)星成像質量的影響。

2.2 載荷、平臺、VIPPS一體化設計

為了更好地實現(xiàn)衛(wèi)星超敏捷機動、超精準指向、超快速穩(wěn)定及高質量成像的設計目標,北京三號B衛(wèi)星以高分辨率載荷相機為中心,以衛(wèi)星總體最優(yōu)為出發(fā)點,充分考慮了結構布局、傳力路徑、光機電熱綜合設計、敏捷機動性等因素,對相機載荷、平臺以及指向隔振機構進行了一體化設計,如圖2所示。

圖2 載荷平臺一體化設計示意圖

1)載荷平臺的一體化設計

為提升圖像定位精度及圖像幾何質量,需要統(tǒng)一測量與觀測基準,因此北京三號B衛(wèi)星對星敏感器、測微敏感器與載荷相機進行了一體化的構型及安裝設計。

星敏感器通過支架直接與相機主承力結構固連,保證星敏感器與相機主體具有統(tǒng)一基準結構。該方式有效地縮短了星敏感器與相機之間的結構路徑,減少了因坐標轉換導致的相對位置關系誤差;同時對其開展機熱一體化設計,采用熱膨脹系數(shù)小、熱適應強的材料,盡量減小支架的熱變形,將變形對星敏感器與載荷相機一致性的影響降到最小,保證星敏感器光軸與相機光軸之間具有相對穩(wěn)定的位置關系,進而獲得更高精度的指向測量數(shù)據(jù)。

測微敏感器也直接安裝在相機主承力板上,縮短了姿態(tài)測量部件與載荷成像坐標系之間的傳遞環(huán)節(jié),提高了姿態(tài)測量精度。

2)載荷、結構、VIPPS的一體化設計

VIPPS作為三超平臺的核心,控制帶寬高,響應快,能夠抵消微振動干擾,具備在衛(wèi)星機動后短時間內實現(xiàn)載荷光軸穩(wěn)定的能力。VIPPS的精指向調節(jié)也是以載荷光軸作為測量與控制的基準,因而需要盡量消除VIPPS作用軸線與載荷光軸之間的偏差,以提高控制精度。

為提高與相機光軸的重合度,指向隔振機構作動器頂支架直接與載荷相機的主承力板剛性連接,減少了兩者之間的結構路徑,提高了相對穩(wěn)定度。指向隔振機構底板則與剛度較好的中心承力筒結構連接,盡量降低因結構力熱變形對軸線偏差的影響。同時為了保證指向隔振機構的高精度安裝要求,其安裝面與承力筒上端框采用一體化設計,通過部裝階段組合加工來保證結構安裝面的平面度和平行度,并借助鉆模板配打的方式加工出安裝孔。結構的高精度加工進一步降低了因設備實際安裝誤差造成的VIPPS作用軸線的偏差。

通過載荷、平臺的一體化設計,很好地縮小了衛(wèi)星尺寸,降低了整星質量,使結構布局更加緊湊,轉動慣量進一步降低,提升了衛(wèi)星的敏捷機動能力。同時考慮VIPPS與載荷、結構的一體化設計,很好地滿足了VIPPS的高精度安裝要求,實現(xiàn)控制精度最優(yōu)化,充分發(fā)揮出三超平臺超高精度指向、快速機動穩(wěn)定成像的技術優(yōu)勢。

3 上下艙段解耦設計

裝備三超平臺的北京三號B衛(wèi)星以指向隔振機構為界面,將衛(wèi)星劃分為上、下艙段兩部分。其中上艙段為載荷艙段,主要包括相機、星敏感器、測微敏感器等一體化設計形成的組合體,而衛(wèi)星結構及其余設備等組成了下艙段,上下艙段通過指向隔振機構連接。為保證指向隔振機構在軌實現(xiàn)“快穩(wěn)”指向,避免在作動器調節(jié)過程中發(fā)生上下艙段的碰撞或拉拽等問題,需要對上下艙段進行關鍵尺寸鏈分析及解耦設計。

3.1 關鍵尺寸鏈分析

由于指向隔振機構是以在軌微重力環(huán)境條件下開展設計的,其設計載荷較低,因此衛(wèi)星在地面實驗、發(fā)射入軌后直到相機解鎖器起爆解鎖前,相機主體是通過解鎖機構與平臺結構相連接,避免指向隔振機構承載。為保證安裝時指向隔振機構不會承受載荷重力的作用,需要對關鍵尺寸鏈進行控制,包括指向隔振機構高度、相機解鎖器高度、相機解鎖器安裝面到指向隔振機構頂面的高度間距等。

相機上星前,通過對關鍵尺寸進行校核與計算,得到指向隔振機構上安裝面與其對應在相機主承力板安裝位置之間的間距尺寸,確保該間距滿足作動器行程限制,從而保證指向隔振機構在地面狀態(tài)下既不會承載,也不會使作動桿過量拉伸,指向隔振機構安裝后作動桿處于設計的零位狀態(tài),不影響在軌初始狀態(tài)及動作行程。

在軌飛行狀態(tài)下,需要對載荷艙段進行運動干涉分析。其中解鎖器作為上下艙段之間的關鍵部件,其解鎖后的間隙需要滿足指向隔振機構運動行程的要求?？紤]指向隔振機構處于極限行程狀態(tài)下,即相機處于最大傾斜狀態(tài)時的解鎖器上下部分之間的最小間距,令其中一臺指向隔振機構處于最大正行程+δ,另外兩臺指向隔振機構處于最大負行程-δ,此時可以獲得在相機主體處于最大傾斜角下解鎖器上部分的最大偏移量。解鎖后解鎖器上下部分之間的最小間距應當大于該最大偏移量,保證解鎖后上下艙段間無干涉風險。

將隔振機構最大運動行程δ以及上下解鎖器解鎖后的間隙作為關鍵尺寸,進行相應的運動干涉分析與校核,很好的確保了指向隔振機構在軌工作時載荷艙段不會發(fā)生碰撞與干涉。

3.2 上下艙段力解耦

為了避免相機在軌解鎖后,指向隔振機構在其作動范圍內作用時,上下艙段之間發(fā)生電纜、熱控多層以及熱管的碰撞、扯拽等耦合問題,產生額外的干擾力矩,從而影響三超平臺的指向精度及快速穩(wěn)定成像的能力,需要對上下艙段進行力解耦設計。具體的控制措施包括:

(1)上下艙段間電纜的力解耦。整理上下艙段之間連接的電纜時,對其在載荷上最后一處綁扎點到平臺上第一處綁扎點之間的電纜束,即電纜運動段部分,需要預留一定長度的余量。余量長度應適度,若長度余量過短,可能會存在殘余的附加應力;若長度余量過長,則可能會因為綁扎不到位等產生鉤掛風險。同時,也應注意運動段電纜的彎曲方向,盡量使電纜處于一個自然的弧度,避免因電纜彎曲產生應力。對于成束的電纜,應將大束分解成小束,分散鋪設,并按上述要求進行解耦處理。此外,還應確保電纜活動區(qū)域與周圍設備之間的安全距離,防止發(fā)生電纜鉤掛或擠壓等問題。

(2)上下艙段間的熱解耦。相機載荷設置獨立的綜合散熱面,與相機主體進行了一體化設計,散熱面安裝在相機主結構的支撐臂上,通過支撐臂伸出星體懸于艙外,相機熱管、散熱面不與星體連接,既滿足了相機獨立散熱的要求,又實現(xiàn)了與衛(wèi)星平臺的解耦。為避免相機主承力板負載過多,部分散熱面輔助安裝在衛(wèi)星結構板上,此處為實現(xiàn)力熱解耦,衛(wèi)星采用柔性熱管的方式來實現(xiàn)。柔性熱管的力解耦與電纜束解耦的方式類似,但由于柔性熱管不是完全塑性的,在試裝調整好特定走向后,盡量保證后續(xù)操作中不再改變熱管形狀。

(3)熱控多層間的解耦。對于艙段間的熱控多層,包括相機與固定式遮光罩、綜合散熱面與結構板、星敏感器與結構板之間的多層等,需要預留足夠間隙以保證上平臺具有足夠的運動空間,避免多層拉拽產生額外力矩。其中星敏感器與結構板之間、相機遮光罩與前鏡筒之間的熱控多層采用了類似門簾的搭接設計,既實現(xiàn)了熱控多層的緊密貼合,又保證了載荷艙段的自由運動。

4 設計驗證

1)整星剛度驗證

北京三號B衛(wèi)星的構型布局及“中心承力筒+箱板”的結構形式經過了整星振動試驗的驗證,整星橫向基頻為20.8Hz和20.0Hz,縱向基頻為55.4Hz,且衛(wèi)星的力學性能在振動試驗前后變化很小。同時通過對衛(wèi)星進行振后精度復測,所有精測結果均滿足要求,驗證了結構在振動環(huán)境中保持精度的能力。北京三號B衛(wèi)星的成功發(fā)射也證明了衛(wèi)星結構承受發(fā)射環(huán)境的能力。通過振動試驗結果及衛(wèi)星成功發(fā)射的驗證,表明了衛(wèi)星整體剛度良好,構型布局設計滿足要求。

2)小慣量設計驗證

通過衛(wèi)星質量特性測試試驗與分析計算,北京三號B衛(wèi)星實現(xiàn)了在軌最大轉動慣量小于1100kg·m2的目標,驗證了衛(wèi)星高敏捷、小慣量的設計。

3)載荷與三超平臺布局驗證

經過北京三號B衛(wèi)星在軌飛行驗證,載荷狀態(tài)工作良好,提供了大量高質量的圖像數(shù)據(jù)。衛(wèi)星在軌敏捷姿態(tài)角速度可達10(°)/s,是我國第一代敏捷衛(wèi)星的3倍。同時三超平臺大大縮短了在軌光軸快速穩(wěn)定的時間,能夠極短時間內實現(xiàn)0.005″的穩(wěn)定度。

衛(wèi)星良好的在軌表現(xiàn)也驗證了裝備三超平臺衛(wèi)星的構型布局合理可靠,上下艙段解耦正常,充分發(fā)揮了三超平臺超高精度、超穩(wěn)定、超敏捷的優(yōu)勢。

4)總裝設計驗證

北京三號B衛(wèi)星經過了整星電測、大型試驗、發(fā)射場等多階段的總裝工作,未發(fā)生操作困難等問題。其中三塊薄側板能夠處于常開板狀態(tài),提升了衛(wèi)星總裝操作的便捷性,有效減少了開合板次數(shù)。通過整星AIT全過程驗證,證明了衛(wèi)星構型布局具備良好的總裝可操作性。

5 結束語

本文圍繞北京三號B衛(wèi)星的任務需求,為充分發(fā)揮三超平臺的技術優(yōu)勢,實現(xiàn)衛(wèi)星超敏捷機動、高精度光軸指向及快速穩(wěn)定的能力,保證高分辨率的成像質量,開展了整星構型布局設計與優(yōu)化。在滿足構型布局設計基本原則的基礎上,進行了小慣量布局的優(yōu)化設計,開展了載荷、平臺、指向隔振機構的一體化設計,并對上下艙段進行了解耦分析,設計結果滿足衛(wèi)星總體與各分系統(tǒng)的相關設計要求,保障了衛(wèi)星在軌成像性能,也為后續(xù)裝備三超平臺的衛(wèi)星構型布局相關設計提供參考與借鑒。