基于Bipod結(jié)構(gòu)的星敏感器遮光罩安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳建峰，余成武，程會艷，隋 杰，武延鵬

(北京控制工程研究所，北京 100190)

基于Bipod結(jié)構(gòu)的星敏感器遮光罩安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳建峰，余成武，程會艷，隋 杰，武延鵬

(北京控制工程研究所，北京 100190)

星敏感器是航天器中常用的姿態(tài)確定儀器，其測量精度較高，且受外界環(huán)境因素、尤其是溫度因素影響顯著.星敏感器的熱穩(wěn)定性對其精度有著重要的影響，為改善星敏感器的熱穩(wěn)定性，提出一種基于Bipod結(jié)構(gòu)的星敏感器遮光罩安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).通過仿真分析，此設(shè)計(jì)極大的改善了星敏感器結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，提高了星敏感器在軌工作時(shí)光軸指向精度的穩(wěn)定性，且星敏感器的強(qiáng)度與剛度條件均能滿足安全設(shè)計(jì)要求.

星敏感器；Bipod結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

星敏感器是航天器中常用的姿態(tài)確定儀器，硬件部分主要包括光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、遮光罩以及電路等.星敏感器的測量精度較高，且受外界環(huán)境因素影響顯著，尤其是溫度因素(太陽輻照等外熱流、深空背景輻射、星敏感器內(nèi)部熱耗、衛(wèi)星熱輻射等).在進(jìn)行星敏感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要滿足保證強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等前提條件外，還要考慮整機(jī)的熱設(shè)計(jì)及熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì).

由于工作環(huán)境的特殊性，星敏感器內(nèi)部的傳熱方式通常為熱傳導(dǎo)、熱輻射，無對流換熱.這種條件不利于星敏感器傳熱，導(dǎo)致星敏感器內(nèi)部溫度不易均勻分布.在軌工作時(shí)，隨著星敏感器交替進(jìn)入陽照區(qū)與陰影區(qū)，星敏感器所受的外熱流情況也隨之發(fā)生交替變化.星敏感器中不乏易受溫度變化影響的部位，例如法蘭、遮光罩、鏡頭等.這些部位在溫度環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，其熱變形會導(dǎo)致星敏感器精度穩(wěn)定性下降.其中以遮光罩最為典型.遮光罩一般位于星敏感器結(jié)構(gòu)的前端，且出于抑制雜光的要求用，其內(nèi)部為吸收比較高的黑色.在受到太陽光的直接照射時(shí)，溫升很快且溫度較高；在進(jìn)入陰影區(qū)無陽光照射時(shí)，溫度又很快下降.在設(shè)計(jì)星敏感器結(jié)構(gòu)時(shí)，通常在遮光罩與敏感器本體結(jié)構(gòu)之間采取隔熱設(shè)計(jì).

熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的目的即為在變化的空間溫度環(huán)境作用下，一是保證星敏感器中對溫度變化敏感結(jié)構(gòu)溫度的均勻性，二是保證一個(gè)結(jié)構(gòu)在發(fā)生熱變形時(shí)對另外結(jié)構(gòu)的影響最小.星敏感器在軌環(huán)境條件惡劣，其精度對環(huán)境條件尤其是溫度條件非常敏感.星敏感器的熱穩(wěn)定性對其精度有著重要的影響.本文針對這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了一種基于Bipod結(jié)構(gòu)的星敏感器遮光罩安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 Bipod結(jié)構(gòu)

常見的Bipod結(jié)構(gòu)的外觀為二腳架形式，又稱A字架[1].其作用主要有：1)能夠降低支撐結(jié)構(gòu)的重量，從而減輕產(chǎn)品的質(zhì)量；2)Bipod結(jié)構(gòu)多為離散多點(diǎn)支撐，熱阻較大，能夠有效隔熱；3)Bipod結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)有較大柔性，能有效降低變形傳遞，有較好的卸載能力，尤其是溫度載荷.

按照Bipod結(jié)構(gòu)與被支承部組件連接的不同方式，可分為正向Bipod和逆向Bipod兩種.正向Bipod通過3個(gè)點(diǎn)和被支承部組件連接，而逆向Bipod通過6個(gè)點(diǎn)和被支承部組件連接.常用的Bipod有一體式和分體式；一體式在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)整體，而分體式通常由兩個(gè)獨(dú)立桿件組合構(gòu)成一個(gè)Bipod結(jié)構(gòu).此外，某些Bipod結(jié)構(gòu)中還會附加柔性結(jié)構(gòu)(柔節(jié))設(shè)計(jì)，以增加其卸載能力[2].

例如Geoeye 主反射鏡的支承結(jié)構(gòu)就是分體式逆向Bipod結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示.

再如西安光機(jī)所設(shè)計(jì)的某反射鏡的支承結(jié)構(gòu)采用帶有柔節(jié)一體式正向Bipod結(jié)構(gòu)[4]，如圖2 所示.

韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院的研究人員也提出了一種帶有柔性的Bipod結(jié)構(gòu)來支承反射鏡，并對其進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化[5]，如圖3所示.

Bipod結(jié)構(gòu)在大口徑望遠(yuǎn)系統(tǒng)中被廣泛使用，多用來作為反射鏡的支承，在星敏感器中應(yīng)用還不太多.目前僅有AST301星敏感器的殼體與安裝法蘭間采用一體、逆向Bipod結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]，如圖4所示.

2 星敏感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1星敏感器原設(shè)計(jì)方案

星敏感器原設(shè)計(jì)方案如圖5所示.

原設(shè)計(jì)方案是將遮光罩安裝于強(qiáng)度剛度均較好的一體結(jié)構(gòu)上，遮光罩與星敏感器法蘭之間通過一個(gè)圓錐臺式的支撐結(jié)構(gòu)連接.這種支撐結(jié)構(gòu)雖然強(qiáng)度較好，但質(zhì)量、剛度較大，遮光罩受熱變形極易傳遞至星敏感器法蘭上.另外遮光罩的熱量也會隨著遮光罩支撐結(jié)構(gòu)傳遞至星敏感器法蘭上.綜合上述兩種原因，采用此種設(shè)計(jì)不利于保證星敏感器在空間環(huán)境中的熱穩(wěn)定性.為提高星敏感器的熱穩(wěn)定性，本文提出基于Bipod結(jié)構(gòu)的遮光罩支撐方案.

2.2Bipod結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行Bipod結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的參數(shù)主要包括高度、桿件間夾角、桿件所構(gòu)成平面的傾斜角度、支撐截面幾何參數(shù)等.Bipod結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)當(dāng)滿足強(qiáng)度和剛度要求.強(qiáng)度要求是任何機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循的基本條件.Bipod支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)保證被支承部組件及其支撐結(jié)構(gòu)組件在工作環(huán)境條件下，包括嚴(yán)苛的發(fā)射環(huán)境及空間環(huán)境下，均不會發(fā)生破壞.剛度條件則是保證被支承部組件變形滿足精度要求的必要條件.此外Bipod支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須能夠?qū)臻g環(huán)境溫度載荷進(jìn)行卸載，保證星敏感器的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性.此外，文獻(xiàn)[7]還建議配套的Bipod結(jié)構(gòu)應(yīng)用同一塊材料加工.

2.3Bipod結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

在星敏感器原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，選擇合適的Bipod結(jié)構(gòu)支承方式.星敏感器在軌工作時(shí)，遮光罩的溫度變化尤為劇烈.一方面為減小遮光罩溫度變化對星敏感器本體結(jié)構(gòu)溫度的影響，一方面為減小遮光罩的熱變形對星敏感器本體結(jié)構(gòu)變形的影響，本文選擇在遮光罩與星敏感器本體結(jié)構(gòu)之間設(shè)計(jì)安裝Bipod支撐結(jié)構(gòu).

由于星敏感器體積小重量輕，因此本文采用一體化Bipod結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).其中，Bipod支撐結(jié)構(gòu)組件與本體結(jié)構(gòu)安裝法蘭接觸的6個(gè)點(diǎn)沿圓周均布.

由于遮光罩組件質(zhì)量較輕，因此選用正向Bipod結(jié)構(gòu)，即Bipod結(jié)構(gòu)與遮光罩組件之間為三點(diǎn)接觸，Bipod結(jié)構(gòu)與星敏感器本體結(jié)構(gòu)的安裝法蘭間為六點(diǎn)接觸.另外，在設(shè)計(jì)Bipod結(jié)構(gòu)時(shí)，其高度條件還需保證遮光罩與光學(xué)系統(tǒng)的位置關(guān)系不變，以免影響遮光罩的遮光效果.

為進(jìn)一步加強(qiáng)遮光罩與本體結(jié)構(gòu)之間的隔熱設(shè)計(jì)，Bipod兩腳架選用鈦合金TC4材料.為增加星敏感器強(qiáng)度及剛度，在兩腳架兩腳間設(shè)計(jì)了加強(qiáng)梁.

3 星敏感器仿真分析

3.1星敏感器熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析

為比較兩種結(jié)構(gòu)方式的差異，本文就外熱流照射在遮光罩時(shí)星敏感器的光軸指向偏角進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析對比.仿真分析工況與邊界條件設(shè)置為：在星敏感器主體法蘭安裝孔處施加固定約束；在遮光罩一側(cè)外表面處設(shè)置熱流密度，模擬太陽照射；在星敏感器外表面處設(shè)置熱輻射系數(shù)，模擬其受深空冷背景輻射.兩種結(jié)構(gòu)方式的星敏感器分析時(shí)的邊界條件與約束保持一致.

首先進(jìn)行熱分析，得到星敏感器的溫度分布情況，如圖6～7所示.由圖中分析可知，原設(shè)計(jì)方案法蘭溫度遠(yuǎn)高于采用設(shè)計(jì)方案法蘭的溫度，說明Bipod方案的隔熱效果優(yōu)于原方案.此外從溫度分布上看，Bipod方案法蘭溫度的均勻性明顯優(yōu)于原方案.

再將星敏感器溫度場作為載荷施加到星敏感器結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到星敏感器的熱應(yīng)力以及熱變形情況.其中星敏感器主體法蘭的變形云圖與應(yīng)力云圖分別如圖8～9所示.

由分析可知，在此約束條件和載荷作用下，星敏感器主體法蘭最大變形量為0.067 mm，達(dá)到較大的量級.此時(shí)，將法蘭上表面(光學(xué)系統(tǒng)安裝面)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合得到其法向量與Z軸(光軸方向)的夾角為0.27″.

將星敏感器遮光罩的支承結(jié)構(gòu)更改為Bipod結(jié)構(gòu)之后，在相同的約束與載荷條件下再次對星敏感器進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析.得到星敏感器主體法蘭的變形、應(yīng)力云圖如圖10～11所示.

由分析結(jié)果可知，此種狀態(tài)下的星敏感器主體法蘭最大變形量為0.003 4 mm，想比原狀態(tài)有顯著降低.將法蘭上表面的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出并通過平面擬合，得到其法向量與Z軸的夾角為0.1″，法蘭的角變形也顯著降低.

從上述分析結(jié)果看，采用Bipod結(jié)構(gòu)的支承方式極大地減小了星敏感器主體法蘭的應(yīng)力與變形，改善了主體法蘭上表面的角變形情況.由于光學(xué)系統(tǒng)直接安裝在主體法蘭上，其變形直接影響光學(xué)系統(tǒng)的光軸指向.當(dāng)變形較小時(shí)，對光學(xué)系統(tǒng)指向穩(wěn)定性的影響也會較小.

3.2星敏感器在軌光軸指向漂移分析

根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道參數(shù)、星敏感器溫控方案以及星敏感器內(nèi)部電子元器件的功率等設(shè)置好邊界條件以及約束條件，進(jìn)行高溫、低溫兩種工況條件下的瞬態(tài)熱分析.此處的高溫、低溫工況均指軌道條件，高溫工況與低溫工況條件如表1所示.

表1 工況設(shè)置Tab.1 The setting of working conditions

為簡化后續(xù)熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析，將一個(gè)軌道周期每隔240 s取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，將該時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)作為載荷施加到星敏感器的分析模型上進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析.其中一軌周期約90 min，假設(shè)起始時(shí)刻為進(jìn)入陽照區(qū)時(shí)刻，60 min后進(jìn)入陰影區(qū).即第1～17時(shí)刻為陽照區(qū)，18～26時(shí)刻為陰影區(qū).

在得到不同溫度條件下的星敏感器變形結(jié)果之后，提取星敏感器光學(xué)系統(tǒng)鏡面的變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行光軸指向漂移分析.

由于分析時(shí)鏡片的面型由離散數(shù)據(jù)擬合而來，存在一定的計(jì)算誤差.在計(jì)算星敏感器光軸指向精度時(shí)應(yīng)當(dāng)將此部分的誤差濾除.因此在分析一個(gè)軌道周期內(nèi)光軸指向漂移變化時(shí)，需用各時(shí)刻光軸指向漂移減去某一個(gè)基準(zhǔn)值.本文以星敏感器光軸指向漂移在一個(gè)軌道周期內(nèi)的中值作為參考.經(jīng)仿真分析與計(jì)算，相對光軸指向精度的變化經(jīng)計(jì)算如圖12～13所示.

圖中圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)所示為繞X軸指向精度，方形數(shù)據(jù)點(diǎn)所示為繞Y軸指向精度，單位為″.高溫工況條件下，在一個(gè)軌道周期中，繞X軸光軸指向偏角波動范圍為±0.3″，繞Y軸光軸指向偏角波動范圍為±0.24″.

低溫工況條件下，在一個(gè)軌道周期中，繞X軸光軸指向偏角波動范圍為±0.2″，繞Y軸光軸指向偏角波動范圍為±0.17″.星敏感器在不同軌道時(shí)期(成像區(qū)區(qū)間為700～3 200 s)的精度如表2所示.

通過上述分析可知，采用Bipod支承結(jié)構(gòu)星敏感器在考慮光學(xué)系統(tǒng)變形時(shí)，其在一個(gè)軌道周期中的光軸指向精度變化優(yōu)于±0.3″，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo).

表2 繞Y、X軸光指向精度漂移Tab.2 The drift of accuracy of optic pointing direction about axis Y and axis X

3.3星敏感器抗力學(xué)條件分析

星敏感器抗力學(xué)條件分析中加速度、隨機(jī)振動、沖擊振動分析條件如表3所示.

表3 星敏感器力學(xué)分析條件Tab.3 The condition of mechanical analysis

為驗(yàn)證含有Bipod結(jié)構(gòu)的星敏感器是否滿足強(qiáng)度、剛度要求，通過有限元軟件對星敏感器的模態(tài)進(jìn)行仿真分析，得到星敏感器前6階模態(tài)的固有頻率如表4所示.

表4 星敏感器前6階固有頻率Tab.4 The 6-order extended natural frequency of the star tracker

由仿真結(jié)果可知，1階固有頻率為197.89 Hz，滿足航天器中結(jié)構(gòu)基頻>100 Hz的要求.滿足剛度條件.

在隨機(jī)響應(yīng)分析中，星敏感器最大應(yīng)力(3σ)為512.64 MPa，位于Bipod兩腳架上.在沖擊響應(yīng)分析中，星敏感器最大應(yīng)力為333.53 MPa，同樣位于Bipod兩腳架上.由于兩腳架材料為TC4，其屈服強(qiáng)度為860 MPa，因此星敏感器的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

綜上，本文所提出的BIPOD支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案均能滿足強(qiáng)度、剛度條件.

4 結(jié) 論

本文為改善星敏感器熱穩(wěn)定性以及光軸指向精度穩(wěn)定性，提出了一種基于Bipod支撐結(jié)構(gòu)的遮光罩支撐設(shè)計(jì)方案.通過一系列的仿真分析證明了該方案的有效性.與原方案相比，采用Bipod支撐結(jié)構(gòu)的星敏感器的主體法蘭變形顯著改善，光軸指向精度的穩(wěn)定性也有明顯提高.且采用Bipod支撐結(jié)構(gòu)的星敏感器也有著較好的強(qiáng)度條件與剛度條件.因此，采用Bipod支撐結(jié)構(gòu)的星敏感器設(shè)計(jì)方案在滿足抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)要求之外，還能有效改善其結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性，并保證星敏感器在軌指向精度的穩(wěn)定性.

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AnOptimalDesignofStarTrackerBaffleBasedonBipodStructure

CHEN Jianfeng, YU Chengwu, CHENG Huiyan, SUI Jie, WU Yanpeng

(BeijingInstituteofControlEngineering，Beijing100094，China)

Star tracker (ST) is a sensor with high accuracy, which is wildly applied to measure the attitude of spacecraft. The accuracy of a ST can be easily influenced by the outer environment, especially by the temperature environment. Since the heat stability is important for the accuracy of ST, an optimal design method for the baffle based on Bipod structure is presented to improve the heat stability. Through FEA simulation, this design is proved to be effective in intensity and rigidity, and greatly improved the heat stability, and enhances the stability of optical axis directing accuracy while the ST is working in orbit.

star tracker; Bipod structure; optimum design

V448

：A

： 1674-1579(2017)04-0068-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.04.012

2017-04-18

陳建峰(1987—)，男，工程師，研究方向?yàn)楹教炱髯藨B(tài)測量；余成武(1978—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)楹教炱髯藨B(tài)測量；程會艷(1984—)，女，高級工程師，研究方向?yàn)楹教炱髯藨B(tài)測量；隋杰(1985—)，男，工程師，研究方向?yàn)楹教炱髯藨B(tài)測量；武延鵬(1977—)，男，研究員，研究方向?yàn)楹教炱髯藨B(tài)測量.