大橢圓軌道遙感衛(wèi)星有效載荷安裝面熱變形抑制方法

蔣國(guó)偉 蘇若斌 俞潔 陸國(guó)平 陳祥 陳彬彬

(1 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)(2 上海航天技術(shù)研究院， 上海 201109)

大橢圓軌道遙感衛(wèi)星有效載荷安裝面熱變形抑制方法

蔣國(guó)偉1蘇若斌1俞潔2陸國(guó)平1陳祥1陳彬彬1

(1 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)(2 上海航天技術(shù)研究院， 上海 201109)

針對(duì)大橢圓軌道遙感衛(wèi)星有效載荷安裝面在復(fù)雜外熱流環(huán)境下存在較大熱變形的問題，文章提出了碳纖維結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化和柔性連接兩個(gè)熱變形抑制的方案，并分析了兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。以某大橢圓軌道遙感衛(wèi)星為例，進(jìn)行了分析驗(yàn)證，結(jié)果表明：采用柔性連接設(shè)計(jì)方案優(yōu)于碳纖維結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化方案，可將因熱變形引起的載荷安裝面法向變化從672 μrad減小至185 μrad，更適用于大橢圓軌道衛(wèi)星不規(guī)律多變外熱流下有效載荷安裝面的熱變形抑制。

遙感衛(wèi)星；有效載荷安裝面；熱變形抑制；柔性連接；鋪層優(yōu)化；大橢圓軌道

1 引言

大橢圓軌道(High Eccentric Orbit，HEO)衛(wèi)星近地點(diǎn)高度較低，通常在1000 km左右，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度在幾萬千米[1]，該軌道上空間環(huán)境資源豐富，利于空間物理探測(cè)[2]。衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度慢，可見時(shí)間長(zhǎng)，適合對(duì)相應(yīng)區(qū)域的覆蓋，如蘇聯(lián)的“閃電”衛(wèi)星就采用這種軌道[1-2]。軌道傾角為臨界傾角63.4°的大橢圓軌道為大橢圓凍結(jié)軌道，軌道的近地點(diǎn)高度、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度和近地點(diǎn)的星下點(diǎn)緯度受空間攝動(dòng)影響小、變化特別慢，遠(yuǎn)地點(diǎn)位置相對(duì)于地球保持相對(duì)靜止，適合具有空間逗留要求的航天任務(wù)[1,3-4]。大橢圓凍結(jié)軌道的軌道周期通常為12 h，地面軌跡2圈后回歸，衛(wèi)星在1個(gè)周期內(nèi)可見弧段(90%以上)位于北半球上空[5]。

大橢圓軌道的特點(diǎn)使得運(yùn)行在該軌道上的遙感衛(wèi)星面臨星體各側(cè)面輪流受照、受照無明確規(guī)律等復(fù)雜的外熱流環(huán)境，因而有效載荷安裝面熱變形較大且復(fù)雜。為獲取高質(zhì)量的對(duì)地觀測(cè)遙感圖像，在要求衛(wèi)星平臺(tái)具有高姿態(tài)指向精度/高穩(wěn)定度、有效載荷成像高分辨率的前提下，還需要降低衛(wèi)星圖像配準(zhǔn)的難度，即盡量減小衛(wèi)星平臺(tái)有效載荷安裝面熱變形對(duì)載荷的影響(降低熱變形量級(jí))。目前，國(guó)內(nèi)外尚無明確的文獻(xiàn)揭示大橢圓軌道遙感衛(wèi)星有效載荷安裝面的熱變形抑制方法。本文在參考國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星和地球靜止軌道衛(wèi)星的熱變形抑制相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合大橢圓軌道遙感衛(wèi)星所受外熱流的特點(diǎn)，對(duì)大橢圓軌道遙感衛(wèi)星有效載荷安裝面的熱變形抑制方法進(jìn)行了研究。以某高精度HEO遙感衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱HEO衛(wèi)星)為例，進(jìn)行了有效載荷安裝面的熱變形抑制方案設(shè)計(jì)、分析比較和工程可行性分析，最終得出結(jié)論：柔性連接設(shè)計(jì)方案是適用于大橢圓軌道衛(wèi)星不規(guī)律多變外熱流下有效載荷安裝面熱變形抑制的可行方案。

2 外熱流環(huán)境分析

本文所述HEO衛(wèi)星采用六面柱體構(gòu)型，由有效載荷安裝面(即有效載荷安裝板)、主承力筒、隔框及外部八面體組成[6-7](見圖1)，其中有效載荷安裝板與承力筒、隔框和外輪廓6塊側(cè)板連接，滿足大體積、大質(zhì)量、高精度有效載荷的安裝需求。在衛(wèi)星坐標(biāo)系下，+Z方向的有效載荷安裝板與-Z方向的底板以及±Y側(cè)板、±X±Y側(cè)板共同組成封閉的八面體，內(nèi)部承力結(jié)構(gòu)采用相同復(fù)合材料的承力筒和隔框。

圖1 HEO衛(wèi)星構(gòu)型示意圖Fig.1 Configuration of some HEO satellite

衛(wèi)星運(yùn)行軌道面與太陽光的夾角在±90°之間變化，且存在天變化，光照變化周期在衛(wèi)星壽命期內(nèi)不明顯；衛(wèi)星以時(shí)變速度在軌道上運(yùn)動(dòng)，近地點(diǎn)約為遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的6倍，衛(wèi)星各面面臨的光照變化速度存在較大差異；壽命期內(nèi)，衛(wèi)星將進(jìn)出地影約一半的軌道圈，最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)1 h。受太陽、衛(wèi)星軌道面以及衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的影響，衛(wèi)星在軌各面輪流受照且所受光照環(huán)境極為復(fù)雜，不利于工程任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。因此，在兼顧有效載荷成像像旋、有效載荷規(guī)避角、星敏感器視場(chǎng)以及衛(wèi)星散熱面布局等因素后，采用姿態(tài)規(guī)避措施保證有效載荷散熱面盡量不受太陽光照，即保證日-星太陽光線矢量與衛(wèi)星坐標(biāo)系+X軸夾角不超過90°。盡管如此，衛(wèi)星平臺(tái)各面依然面臨復(fù)雜的光照條件，使得衛(wèi)星所受外熱流變化情況復(fù)雜(見圖2)。

圖2 HEO衛(wèi)星平臺(tái)各面典型外熱流圖Fig.2 Typic heat flux of some HEO satellite

低軌衛(wèi)星大多采用太陽同步軌道，衛(wèi)星受照面相對(duì)固定，且其它軌道低軌衛(wèi)星的精度需求較高軌衛(wèi)星低；而對(duì)于同樣在高軌段執(zhí)行任務(wù)的地球靜止軌道衛(wèi)星而言，其向陽面和背陽面相對(duì)固定[8](衛(wèi)星春秋分繞偏航軸機(jī)動(dòng)180°，則受照面年變化更小)，帶來星體溫差的溫度場(chǎng)也相對(duì)固定。與之相比，HEO衛(wèi)星面臨的外熱流環(huán)境將導(dǎo)致星體溫差變化更為復(fù)雜，從而使衛(wèi)星熱變形復(fù)雜且無規(guī)律，增加衛(wèi)星在軌熱變形標(biāo)校的難度和熱變形模型建模的復(fù)雜度。

3 熱變形抑制方案及仿真分析

3.1熱變形抑制方案分析

由第2節(jié)可知，因軌道及光照特性，HEO衛(wèi)星有效載荷安裝面的熱變形抑制方案并不能簡(jiǎn)單借鑒地球靜止軌道衛(wèi)星的方案。參考文獻(xiàn)[7,9-11]的研究成果，梳理出目前常用的4種熱變形抑制思路如下。

(1)“柔性連接”思路[7]：采用柔性連接消除有效載荷安裝板與側(cè)板之間的熱變形耦合，保證有效載荷安裝板上載荷的光軸指向精度。

(2)“碳纖維鋪層優(yōu)化”思路[9]：將構(gòu)件設(shè)計(jì)為碳纖維面板蜂窩夾層板/碳纖維桿件，根據(jù)溫度場(chǎng)將碳纖維鋪層優(yōu)化達(dá)到近零變形的線膨脹系數(shù)(綜合線膨脹系數(shù)及強(qiáng)度，采用±45°鋪層線膨脹系數(shù)可達(dá)1×10-6℃-1)，使得熱變形最小。

(3)“相鄰構(gòu)件線膨脹系數(shù)互異”思路[10]：根據(jù)溫度場(chǎng)變化，將相鄰構(gòu)件間的線膨脹系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得相鄰構(gòu)件間的熱變形可以相互抑制，以達(dá)到抑制整星熱變形的目的。

(4)“主動(dòng)控制”思路[11]：以記憶合金、薄膜壓電材料等為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星關(guān)注區(qū)域設(shè)計(jì)為具備自適應(yīng)熱變形補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

思路(3)在外熱流特性穩(wěn)定的情況下，可取得良好的效果，但考慮到HEO衛(wèi)星各側(cè)面受外熱流變化復(fù)雜的特性，衛(wèi)星構(gòu)件及其相互連接關(guān)系繁多且復(fù)雜的特點(diǎn)，難以有效解決多構(gòu)件間的熱變形耦合；而思路(4)，則不利于衛(wèi)星工程可靠性和經(jīng)濟(jì)性的提高。

因此，本文主要按前兩個(gè)思路，開展適用于HEO衛(wèi)星有效載荷安裝面的熱變形抑制方案的研究，具體如下(見圖3)。

圖3 熱變形抑制設(shè)計(jì)方案Fig.3 Thermal deformation control projects

方案1：有效載荷安裝板、±X±Y側(cè)板設(shè)計(jì)為碳纖維蜂窩夾層板，并進(jìn)行碳纖維鋪層優(yōu)化，使得熱線膨脹系數(shù)最小(碳纖維復(fù)合材料采用M55J，綜合考慮材料模量和強(qiáng)度，取面板厚度0.4 mm，單層厚度0.1 mm，鋪層角度取[±30°/0°/90°])；±Y側(cè)板作為平臺(tái)散熱面，鋁合金蒙皮表面粘貼光學(xué)太陽反射鏡(Optical Solar Reflector，OSR)。

方案2：有效載荷安裝板、±X±Y側(cè)板結(jié)構(gòu)形式及鋪層設(shè)計(jì)與方案1相同，但平臺(tái)6塊側(cè)板與有效載荷安裝板之間進(jìn)行柔性連接，柔性連接主要材料采用具有小變形下柔性大、大變形下剛度高等特性的金屬橡膠材料[12]，為了規(guī)避連接剛度過低帶來基頻的下降較大和振幅過大的風(fēng)險(xiǎn)，本文將金屬橡膠元件設(shè)計(jì)為階梯構(gòu)型，提高了垂直連接方向剛度。

上述兩個(gè)方案中，方案1僅從“碳纖維鋪層優(yōu)化”思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，未對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)連接形式更改，是對(duì)衛(wèi)星影響最小的設(shè)計(jì)方式；方案2是綜合考慮了“柔性連接”和“碳纖維鋪層優(yōu)化”兩種熱變形抑制思路，改變了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)連接形式。以下是兩種方案的分析比較。

3.2熱變形仿真分析

利用PATRAN/NASTRAN軟件分別建立上述兩個(gè)方案的有限元仿真模型；計(jì)算工況根據(jù)衛(wèi)星構(gòu)型和外熱流特點(diǎn)，考慮±Y側(cè)板為平臺(tái)散熱面，其熱變形較大且為典型工況，故選取+Y側(cè)板平均外熱流最高和最低的兩個(gè)工況，分別定義為高溫工況和低溫工況；開展高溫和低溫工況的外熱流仿真計(jì)算，獲取衛(wèi)星體表各側(cè)板溫度數(shù)據(jù)；將側(cè)板溫度數(shù)據(jù)賦值于有限元模型中，進(jìn)行兩個(gè)工況的熱變形仿真計(jì)算；計(jì)算結(jié)果取衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系下有效載荷安裝面+Z向矢量在熱變形前后的變化，該法向矢量變化值越大，說明有效載荷安裝面熱變形越大。

1)方案1

建模仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 方案1熱變形仿真分析Fig.4 Analysis of thermal deformation control project one

上述仿真模型建模過程中，在有效載荷安裝板以MPC工具建立兩個(gè)有效載荷安裝區(qū)域，并以質(zhì)量點(diǎn)賦予假定的有效載荷質(zhì)量特性。從分析有效載荷安裝面熱變形角度考慮，若能建立有效載荷的結(jié)構(gòu)底板模型，則能更有效地模擬邊界條件。本文在暫無相關(guān)條件下，以MPC工具和質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，重點(diǎn)在于說明平臺(tái)結(jié)構(gòu)的熱變形特性；而平臺(tái)結(jié)構(gòu)的熱變形仿真模型是參考同結(jié)構(gòu)平臺(tái)衛(wèi)星的熱變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并保證仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在150 μm內(nèi)[13]。

由圖4可知，有效載荷安裝板中心區(qū)域熱變形較小(即與承力筒和隔框連接區(qū)域，有效載荷安裝板被剛性約束，其熱變形數(shù)值約0.01 mm)，而有效載荷安裝板與6塊側(cè)板連接區(qū)域則因受到側(cè)板的“推拉”而產(chǎn)生較為明顯的變形(其熱變形數(shù)值約0.72 mm)；方案1兩個(gè)工況的熱變形仿真結(jié)果分別為493 μrad和672 μrad，相較高溫工況，低溫工況有效載荷安裝板熱變形更大。

2)方案2

建模仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 方案2熱變形仿真分析Fig.5 Analysis of thermal deformation control project two

從圖5分析結(jié)果可知，有效載荷安裝板中心區(qū)域熱變形較小(即與承力筒和隔框連接區(qū)域，該區(qū)域有效載荷安裝板被剛性約束，其熱變形數(shù)值約0.01 mm)，而有效載荷安裝板與6塊側(cè)板連接區(qū)域則因柔性連接，減小了側(cè)板的“推拉”對(duì)有效載荷安裝板的影響(其熱變形數(shù)值約0.3 mm)；同樣因?yàn)椴捎萌嵝赃B接，側(cè)板在柔性連接形式下在X、Y、Z方向分別最大熱變形位移達(dá)1.53 mm、1.48 mm、1.59 mm；方案2兩個(gè)工況的熱變形仿真結(jié)果分別為157 μrad和185 μrad，相較高溫工況，低溫工況有效載荷安裝板熱變形更大。

對(duì)比兩個(gè)方案分析結(jié)果可知(見表1)，方案2可以更有效地抑制衛(wèi)星有效載荷安裝板的熱變形，相同的外熱流環(huán)境下，方案2較方案1的熱變形減小約487 μrad，抑制效果更為明顯。

此外，上述方案中±X±Y方向4塊側(cè)板均為碳纖維面板，若從增加散熱面資源角度考慮，將4塊側(cè)板或部分側(cè)板的部分區(qū)域設(shè)計(jì)為散熱面，則方案1引起有效載荷安裝面的熱變形將更大；而方案2更具有靈活性，僅需根據(jù)外熱流特性更改柔性連接的剛度，受側(cè)板是否碳纖維鋪層設(shè)計(jì)或散熱面資源增加的制約較小。因此，可說明方案2更適合HEO衛(wèi)星有效載荷安裝面的熱變形抑制量級(jí)。

表1 方案1和方案2熱變形仿真分析結(jié)果

盡管如此，上述結(jié)論僅為理論分析結(jié)果，雖然方案2對(duì)HEO衛(wèi)星有效載荷安裝面的熱變形抑制效果更優(yōu)，但工程研制過程中的部分問題尚待進(jìn)一步細(xì)化研究：

(1)熱變形仿真工況的覆蓋性。本文僅取兩個(gè)典型工況開展分析，考慮外熱流的變化特性，需要進(jìn)一步分析識(shí)別外熱流變化極端工況，進(jìn)行熱變形覆蓋性分析，便于綜合評(píng)估熱變形抑制方案。

(2)柔性連接剛度設(shè)計(jì)在工程實(shí)施中應(yīng)考慮的因素。柔性連接剛度依據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式和外熱流變化進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，但工程中可能存在跨艙板的外貼熱管、剛性電纜與側(cè)板的連接等問題，對(duì)柔性連接的剛度存在一定影響，需要綜合考慮。

(3)柔性連接對(duì)星上產(chǎn)品的影響。柔性連接將帶來側(cè)板相對(duì)于平臺(tái)主結(jié)構(gòu)更大的變形，最大約1.6 mm。需要在跨艙板電纜的固定方式、表面多層設(shè)計(jì)等方面考慮余量，在必要時(shí)可更改柔性連接剛度減小變形量(同時(shí)增加了側(cè)板與頂板的熱變形耦合量)。

(4)對(duì)整星力學(xué)特性的影響。方案2由于采用側(cè)板柔性連接而對(duì)整星剛度存在一定影響，但由于衛(wèi)星平臺(tái)主結(jié)構(gòu)及其連接形式并未改變，柔性連接設(shè)計(jì)為梯構(gòu)型提高了垂直連接方向剛度，且側(cè)板僅作為輔助支撐而并未承載單機(jī)設(shè)備，故而對(duì)衛(wèi)星整星基頻影響在1 Hz內(nèi)；動(dòng)力學(xué)響應(yīng)在主傳遞路徑上最大增加不超過0.8gn，側(cè)板因存在柔性連接而響應(yīng)量級(jí)反而變小，但需要重點(diǎn)考慮跨艙/板電纜的余量，必要時(shí)可更改柔性連接剛度值優(yōu)先保證動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。綜上，方案2對(duì)整星動(dòng)力學(xué)特性影響較小。

4 結(jié)論

本文提出并開展大橢圓軌道遙感衛(wèi)星的有效載荷安裝面的熱變形抑制問題研究。在分析衛(wèi)星在軌外熱流環(huán)境特性的基礎(chǔ)上，以降低衛(wèi)星結(jié)構(gòu)有效載荷安裝面的熱變形量級(jí)為目的，分別從碳纖維結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化和柔性連接兩個(gè)角度開展設(shè)計(jì)和分析，結(jié)論如下：

(1)柔性連接設(shè)計(jì)方案可較大地降低有效載荷安裝面熱變形量級(jí)，適用于面臨復(fù)雜外熱流環(huán)境的大橢圓軌道遙感衛(wèi)星有效載荷安裝面的熱變形抑制；

(2)柔性連接設(shè)計(jì)方案對(duì)衛(wèi)星構(gòu)型、結(jié)構(gòu)形式及整星動(dòng)力學(xué)等方面的改變均較小，且對(duì)衛(wèi)星散熱面資源的影響較小，工程可行性、經(jīng)濟(jì)性及擴(kuò)展應(yīng)用性能更優(yōu)。

本文的熱變形抑制研究思路和方法可為各類HEO衛(wèi)星有效載荷安裝面熱變形抑制設(shè)計(jì)提供參考。

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Method of Thermal Deformation Control for Payload Mounting Plate of HEO Remote Sensing Satellite

JIANG Guowei1SU Ruobin1YU Jie2LU Guoping1CHEN Xiang1CHEN Binbin1

(1 Shanghai Institute of Satellite Engineering,Shanghai 201109,China) (2 Shanghai Academy of Spaceflight Technology,Shanghai 201109,China)

In order to reduce the large thermal deformation caused by complicated heat flux to the payload mounting plate of HEO remote sensing satellite,two different thermal deformation control projects are bringed up. They are lamination optimum and flexible connection. Taking some HEO remote sensing satellite as an example,the two projects are modeled and analysed. The result indicated that flexible connection could be reduced the thermal deformation of payload mounting structure from 672μrad to 185μrad,which would be better for HEO remote sensing satellite.

remote sensing satellite; payload mounting plate; thermal deformation control; flexible connection; lamination optimum; HEO

V414.5

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.005

2017-06-15；

2017-06-26

蔣國(guó)偉，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星動(dòng)力學(xué)。Email：jgw0203@163.com。

(編輯：李多)