基于半剛性連接的提高星敏感器指向精度的安裝設(shè)計(jì)

朱華,張春雨,周徐斌,張宗華,顧志悅,呂凱

上海衛(wèi)星工程研究所,上海201109

基于半剛性連接的提高星敏感器指向精度的安裝設(shè)計(jì)

朱華*,張春雨,周徐斌,張宗華,顧志悅,呂凱

上海衛(wèi)星工程研究所,上海201109

研究和分析了熱變形引起的星敏感器和合成孔徑雷達(dá)(SAR)天線的形變特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種SAR天線與星體結(jié)構(gòu)之間的安裝方法,并以某衛(wèi)星為例,將兩者半剛性連接(橫向游離),其安裝設(shè)計(jì)方法在于將SAR天線框架與星體間的螺釘連接橫向剛度減小,使星體的熱變形與SAR天線產(chǎn)生了橫向游離效果。計(jì)算分析和試驗(yàn)表明,這種安裝設(shè)計(jì)方法有效地提高了星敏感器相對(duì)于SAR天線中板陣面的指向精度,可以滿足高分辨率衛(wèi)星成像的需求,為其他有較高指向精度要求的單機(jī)安裝提供參考。

星敏感器;指向精度;半剛性連接;計(jì)算分析;熱變形試驗(yàn)

星敏感器是高精度的衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量裝置,在衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量和控制系統(tǒng)中起著重要的作用,提供航天飛行器相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的三軸姿態(tài)[1-3]。合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)天線作為一種主動(dòng)式微波成像傳感器,通過(guò)發(fā)射寬帶信號(hào),結(jié)合合成孔徑技術(shù),能在距離向和方位向上同時(shí)獲得二維高分辨率圖像[4-6]。星敏感器相對(duì)于SAR天線陣面的指向精度直接決定了衛(wèi)星成像的效果。其精度除主要受星敏感器的測(cè)量噪聲和低頻漂移誤差影響外,還與有效載荷的安裝參數(shù)測(cè)定誤差、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形等因素有關(guān)[7-8]。其中,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形主要是在軌時(shí)由太陽(yáng)輻射、地球輻射反照引起溫度交變的熱變形導(dǎo)致的。SAR天線框架和星敏感器支架都是用碳纖維復(fù)合材料制造的,其熱膨脹系數(shù)極低,它們自身產(chǎn)生的熱變形很小。研究分析表明,衛(wèi)星的熱變形主要是由星體變化產(chǎn)生的。文章介紹了一種新的半剛性連接(橫向游離)的安裝方法,通過(guò)計(jì)算仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,證明其有效地降低了由熱變形引起的對(duì)星敏感器相對(duì)SAR天線中板指向精度的影響。

目前,對(duì)星敏感器精度的研究主要從姿態(tài)控制、算法改進(jìn)、信號(hào)調(diào)制等方面進(jìn)行[9-11],通過(guò)改變結(jié)構(gòu)連接方法降低熱變形引起的星敏感器精度變化的研究尚處于探索狀態(tài)。國(guó)內(nèi)空間熱分析的研究對(duì)象多為對(duì)空間環(huán)境溫度與型面熱變形敏感的空間結(jié)構(gòu)與星載設(shè)備,研究范圍正在不斷擴(kuò)大,采用的方法多為有限元或有限差分法。與國(guó)外不同的是,以前較少應(yīng)用已有優(yōu)秀CAD/ CAE軟件,通常自己開(kāi)發(fā)程序,程序沒(méi)有通用性,現(xiàn)在這種狀況已經(jīng)有了很大的改善[12-13]。

1 SAR天線和星敏感器的安裝

SAR天線框架是大型結(jié)構(gòu)件,具有一定剛度,為SAR天線內(nèi)部各組件提供構(gòu)型支撐,同時(shí)提供外部接口[14]。以某衛(wèi)星為例,SAR天線框架共有三塊,其中SAR天線兩側(cè)框架發(fā)射時(shí)收攏在星體兩側(cè),入軌時(shí)展開(kāi),SAR天線中板框架與星體固定。三個(gè)星敏感器通過(guò)星敏支架與SAR天線中板框架的邊框連接,與星體無(wú)接觸。SAR天線框架、星敏感器與衛(wèi)星之間的安裝關(guān)系如圖1所示。

圖1 SAR天線框架和星敏器示意Fig.1 Schematic of SAR antenna frames and star sensors

1.1 星敏感器和SAR天線之間的連接

星敏感器通過(guò)星敏支架與SAR天線中板框架連接。由于星敏感器質(zhì)量較大且向星外延伸安裝,可認(rèn)為其是懸臂梁結(jié)構(gòu)形式。故為了能通過(guò)發(fā)射階段的力學(xué)考驗(yàn),星敏支架與SAR天線中板框架采用剛性連接,采用鏍接加膠接組合方式,這樣發(fā)射時(shí)其響應(yīng)才能在可承受的范圍內(nèi)。星敏支架安裝示意如圖2所示。

圖2 星敏器支架安裝示意Fig.2 Schematic of installation of brackets for star sensor

1.2 SAR天線框架和星體之間的連接

(1)剛性連接方式

SAR天線中板框架與星體通過(guò)18個(gè)M5螺釘剛性連接的形式相連,這樣充分保證了連接剛度,能夠承受衛(wèi)星發(fā)射階段的力學(xué)環(huán)境。螺釘連接的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,能夠產(chǎn)生自鎖[15]。

圖3所示為SAR天線中板框架與星體普通螺釘剛性連接,星體連接件上原為Φ3配打孔,鉆頭進(jìn)行配打時(shí)極有可能沿著SAR天線框架上的階梯孔下孔壁進(jìn)行,這樣就使得SAR框架與螺釘完全處于無(wú)縫接觸,限制了SAR框架的橫向移動(dòng);而采用彈墊和平墊,加強(qiáng)了連接剛度的同時(shí)也增加了SAR框架和星體之間的摩擦系數(shù),更限制了其橫向移動(dòng)。但是衛(wèi)星在軌時(shí)星體的熱變形會(huì)通過(guò)剛性連接全部傳遞到SAR天線和星敏感器上,橫向移動(dòng)的限制使SAR天線框架自身無(wú)法將星體帶來(lái)的熱變形消化,造成星敏感器相對(duì)SAR天線中板指向精度受到很大的影響,進(jìn)而大大降低了衛(wèi)星成像效果。

圖3 SAR天線中板框架與星體剛性連接示意Fig.3 Schematic of rigid connection between SAR middle plate and satellite

(2)半剛性連接方法

針對(duì)以上剛性連接所帶來(lái)的星敏感器相對(duì)指向精度偏差較大的問(wèn)題,在保證一定的連接剛度的同時(shí),將螺釘連接對(duì)SAR天線框架橫向約束適當(dāng)降低,通過(guò)同時(shí)采取4種措施達(dá)到這種目的。1)取消彈墊,減小縱向壓緊力,減小橫向摩擦系數(shù)。2)在平墊和SAR框架接觸面之間鍍潤(rùn)滑膜(二硫化鉬),增大橫向潤(rùn)滑作用。3)在SAR天線框架階梯孔上孔中安裝一個(gè)限位襯套,使鉆頭配打時(shí)鉆孔必然在階梯孔下孔中心位置,螺釘與SAR天線框架的階梯孔下孔孔壁保持一定的間隙。這樣當(dāng)星體熱變形傳導(dǎo)至SAR天線框架時(shí),其自身能夠通過(guò)間隙產(chǎn)生橫向移動(dòng)將熱變形消化,相當(dāng)于將星體的熱變形對(duì)SAR天線框架橫向的影響進(jìn)行了游離,同時(shí)螺釘處于懸臂狀態(tài),也可吸收一定的熱變形。4)安裝螺釘時(shí)按對(duì)角線安裝方式,將SAR天線中板對(duì)角的兩個(gè)螺釘先安裝,保證這兩個(gè)螺釘與SAR中板配打時(shí)有間隙,再將中板兩側(cè)其余螺釘一一相向安裝,這樣可以保證剩余螺釘與SAR中板有一定間隙。

為區(qū)別剛性連接,將這種橫向剛度降低的方法稱為半剛性連接,圖4所示為SAR天線框架和星體間半剛性連接狀態(tài)。

以下將通過(guò)計(jì)算分析對(duì)比上述兩種連接方式,并對(duì)半剛性連接方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,來(lái)證明第二種連接方法有效地降低了熱變形對(duì)星敏感器相對(duì)SAR天線中板指向精度的影響。

圖4 SAR天線中板框架與星體半剛性連接示意Fig.4 Schematic of semi-rigid connection between SAR middle plate and satellite

2 熱變形計(jì)算分析

2.1 計(jì)算分析

衛(wèi)星的星箭連接環(huán)固定約束,初始溫度為20℃。衛(wèi)星的溫度邊界條件設(shè)置是通過(guò)衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)提供的整星在軌溫度分布,借助于有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN,根據(jù)高溫工況和低溫工況兩種溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算仿真。圖5所示為高低溫工況下,整星溫度場(chǎng)分布狀態(tài)。

為了求得星敏感器相對(duì)于SAR天線中板指向角度,將星敏感器安裝面的節(jié)點(diǎn)擬合出一個(gè)曲面求得其法線。同樣地,將SAR天線中板框架陣面的節(jié)點(diǎn)擬合出一個(gè)曲面,并求得其法線。這兩條法線的夾角即指向角度,它們熱變形前后的夾角變化大小即為指向精度。

設(shè)星敏安裝面上各節(jié)點(diǎn)原始坐標(biāo)為xn,yn,zn,熱變形后的坐標(biāo)為x′n,y′n,z′n,其矩陣表示:

空間平面方程:

式中:C為熱變形后星敏安裝面擬合曲面的法向向量;D為初始面的法向向量。同理可得SAR天線中板框架熱變形后擬合曲面的法向向量為E和初始面的法向向量為F。

圖5 高低溫兩種工況下整星溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature distribution of satellite under high and low cases

向量夾角:

式中:a為初始狀態(tài)星敏安裝面和SAR天線中板框架陣面法向指向夾角;b為熱變形時(shí)兩個(gè)法向指向夾角;θ為星敏感器相對(duì)SAR天線中板的指向精度,單位為角秒(″)。

2.2 計(jì)算結(jié)果

SAR天線框架和星體間按1.2節(jié)中的兩種連接方式進(jìn)行連接,其中連接采用bush單元,半剛性連接時(shí)將X向和Y向(橫向)兩個(gè)剛度釋放。高低溫兩種工況下,通過(guò)仿真分析可以得到星敏感器和SAR天線中板框架位移形變,如圖6所示。

提取星敏安裝面和SAR天線中板陣面的節(jié)點(diǎn)熱變形前后的坐標(biāo),將式(1)～(4)通過(guò)Matlab軟件編寫(xiě)計(jì)算程序后代入,計(jì)算得出相對(duì)指向精度,其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖6 星敏感器和SAR天線中板框架形變Fig.6 Deformation about SAR middle frame and star sensors

從上述位移形變和指向精度的數(shù)據(jù)中可以得出:1)比較不同溫度工況的兩種連接方式,同一臺(tái)星敏感器自身的指向精度成正相關(guān)的關(guān)系。2)采用剛性連接的方式時(shí),高低溫形變的峰峰值(p-p)分別為1.902×10-4mm和5.485×10-4mm;半剛性連接方法時(shí),高低溫p-p分別為0.669×10-4mm和0.98×10-4mm。同種溫度工況下,后者優(yōu)于前者的形變?yōu)?～5倍;3)比較同種溫度工況下同一臺(tái)星敏感器指向精度,半剛性連接方法的星敏精度優(yōu)于剛性連接方式2～6倍。

表1 星敏感器指向精度Table 1 Pointing accuracy of star sensors

計(jì)算仿真的結(jié)果反映了兩種連接方式對(duì)星敏感器相對(duì)SAR天線中板指向精度的有效性,采用半剛性連接方法所得的精度計(jì)算結(jié)果大大優(yōu)于剛性連接。針對(duì)上述結(jié)論,考慮到型號(hào)試驗(yàn)的不可逆性與復(fù)雜性,通過(guò)SAR天線與星體半剛性連接的熱變形試驗(yàn)直接驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果,以此證明仿真計(jì)算值與真實(shí)情況基本吻合。

3 熱變形試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工裝及溫度加載工況

為盡可能模擬衛(wèi)星在軌工作時(shí)失重的狀態(tài),將星上所有單機(jī)拆除,SAR天線展開(kāi),通過(guò)重力卸載裝置懸掛。為保證試驗(yàn)的有效性,將星箭連接環(huán)固支并采取隔熱措施,溫度加載區(qū)域包括平臺(tái)艙、載荷艙、星敏感器支架和SAR天線陣面等。其中平臺(tái)艙、載荷艙和SAR天線陣面采用照射加熱裝置控制,星敏感器支架采用電加熱器控制,整星共布置1000個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn),SAR天線中板框架與星體連接形式為半剛性連接。熱變形試驗(yàn)如圖7所示。

采用電子經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)量,電子經(jīng)緯儀跟蹤架為三軸(垂直軸、水平軸、視準(zhǔn)軸)地平裝置。圖8所示為SAR天線陣面測(cè)點(diǎn)分布,其中兩臺(tái)經(jīng)緯儀對(duì)SAR天線陣面上靶標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行測(cè)量,三臺(tái)經(jīng)緯儀分別對(duì)三個(gè)星敏安裝面上棱鏡進(jìn)行測(cè)量。

圖7 熱變形試驗(yàn)Fig.7 Test of thermal deformation

圖8 SAR天線測(cè)點(diǎn)分布Fig.8 Measuring points of SAR

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)熱變形試驗(yàn)

由于條件限制,沒(méi)有降溫環(huán)境,故試驗(yàn)只模擬升溫過(guò)程,且采取拉偏形式進(jìn)行。同時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),取三次的平均值。試驗(yàn)廠房的環(huán)境溫度要求控制在(20±5)°C。

共有三種試驗(yàn)工況:整星拉偏為(40±5)°C;整星拉偏為(60±5)°C;SAR天線和星敏感器保持在(20±5)°C,星體拉偏為(60±5)°C。將這三種試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真分析后和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果如表2所示。前兩種試驗(yàn)工況的目的是為了驗(yàn)證2.2節(jié)中高低溫工況仿真的有效性,第三種試驗(yàn)工況是為了驗(yàn)證SAR天線與星體的連接產(chǎn)生是否產(chǎn)生游離作用。

表2 試驗(yàn)工況與仿真結(jié)果Table 2 Data of test cases and simulation calculation

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果中可以得到:1)試驗(yàn)工況2和3比較,星體產(chǎn)生的熱變形對(duì)星敏的指向精度影響很大。2)試驗(yàn)工況2中星敏1和星敏2的趨勢(shì)與仿真結(jié)果趨勢(shì)不一致,可能由于靠近星敏感器1和2的半剛性連接實(shí)際存在較大的摩擦,導(dǎo)致星體熱變形對(duì)SAR天線和星敏感器有較大影響,同時(shí)可能存在測(cè)量系統(tǒng)誤差等因素;其他試驗(yàn)工況與仿真結(jié)果的趨勢(shì)保持相同,從而驗(yàn)證了2.2節(jié)中衛(wèi)星兩種連接方式高低溫工況的仿真分析的準(zhǔn)確性。3)試驗(yàn)工況4中,星體的加熱對(duì)星敏指向精度基本無(wú)影響,說(shuō)明半剛性連接的方法有助于將星體熱變形進(jìn)行游離。

(2)力學(xué)試驗(yàn)

為驗(yàn)證半剛性連接對(duì)衛(wèi)星的力學(xué)性能的影響,對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。整星振動(dòng)試驗(yàn)的剛度結(jié)果為:X(橫向)15.21 Hz,Y(橫向)16.41 Hz,Z(縱向)42.56 Hz;預(yù)復(fù)振橫向頻率漂移在0.11 Hz,縱向漂移在0.62 Hz之內(nèi),振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果合理。整星剛度滿足整星橫向12 Hz、縱向35 Hz的指標(biāo)要求。對(duì)SAR天線中板和三個(gè)星敏感器處的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,結(jié)果如表3所示。

表3 SAR天線中板和星敏感器最大振動(dòng)響應(yīng)值Table 3 Max value of vibration response of SAR antenna and star sensors

從整星的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果和表3中的數(shù)據(jù)可以看出,SAR天線中板和三個(gè)星敏感器的振動(dòng)響應(yīng)值較小且基本一致,說(shuō)明半剛性連接的方法可以有效保證SAR天線和星敏感器承受發(fā)射階段的力學(xué)環(huán)境。

為進(jìn)一步觀察半剛性連接的設(shè)計(jì)方法對(duì)星敏感器振動(dòng)試驗(yàn)的影響,對(duì)SAR天線中板和星敏感器進(jìn)行振前和振后的精測(cè)。同樣地,進(jìn)行三次精測(cè),取平均值。表4為三個(gè)星敏感器的精測(cè)結(jié)果。

表4 SAR天線中板和星敏感器振動(dòng)前后的精度結(jié)果Table 4 Accuracy measurement of SAR antenna and star sensors

從振前振后的SAR天線中板和星敏感器的精測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比看出,變化量在30″內(nèi),符合指標(biāo)要求。這進(jìn)一步說(shuō)明半剛性連接的剛度滿足星敏安裝的要求,能保證使用精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)說(shuō)明了一種衛(wèi)星SAR天線框架和星體連接方法——半剛性連接,與普通的剛性連接相比,前者在保證一定剛度的同時(shí)能使衛(wèi)星的星敏感器相對(duì)SAR天線中板指向精度提高很多。從計(jì)算仿真的數(shù)據(jù)看,前者優(yōu)于后者2～6倍。同時(shí)對(duì)熱變形進(jìn)行了試驗(yàn),其結(jié)果證明了半剛性連接能有效地對(duì)星體熱變形產(chǎn)生游離和抑制效果,也驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性。最后,通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)和星敏的精測(cè)數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證半剛性連接方法的實(shí)用性。這種方法可為其他型號(hào)衛(wèi)星上因熱變形引起精度下降的單機(jī)提供參考。

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(編輯:高珍)

An installation design of improving pointing accuracy of star sensor based on semi-rigid connection

ZHU Hua*,ZHANG Chunyu,ZHOU Xubin,ZHANG Zonghua,GU Zhiyue,LYU Kai
ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering,Shanghai201109,China

Satellite performance in orbit is impacted by pointing accuracy of star sensor and synthetic aperture radar(SAR)middle plate because of thermal deformation.Characteristics about thermal deformation of star sensor and SAR were studied and analysed,and installation between SAR and satellite body was designed.Taking one satellite as an example,SAR and satellite body were connected with a semi-rigid(horizontal constraint released)method,and the influence of satellite thermal deformation was isolated to SAR with a certain rigidity.As a result,pointing accuracy of star sensor relative SAR middle plate increased,and met the requirement of satellite imaging.This is verified by calculation analysis and test,and can provide reference for other aerospace electronc equipments.

star sensor;pointing accuracy;semi-rigid connection;calculation and analysis; thermal deformation test

V416.1

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0025

2015-12-01;

:2016-01-05;錄用日期2016-02-24;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2016-04-19 15:39:18

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1539.009.html

國(guó)家自然科學(xué)基金(51505294)

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:朱華(1986-),男,工程師,738412291@qq.com,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

朱華,張春雨,周徐斌,等.基于半剛性連接的提高星敏感器指向精度的安裝設(shè)計(jì)[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2016,36(2):66-73.ZHUH,ZHANGCY,ZHOUXB,etal.Aninstallationdesignofimprovingpointingaccuracyofstar sensorbasedonsemi-rigidconnection[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):66-73(inChinese).

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