Galileo衛(wèi)星激光反射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

呂華昌,陳念江,鐘聲遠,李楠楠,耿園園

(固體激光技術(shù)重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

激光反射器又稱激光合作目標(Laser Retro-Reflector,簡稱LRR),裝載在衛(wèi)星表面,其作用是將地面人衛(wèi)測距站發(fā)射的激光光束按入射方向反射回地面,以實現(xiàn)地面測距站和衛(wèi)星之間的遠距離測量(Satellite Laser Ranging,SLR)。除此之外,激光合作目標在對遠距離目標、導(dǎo)彈、運載火箭等物體的精密測量中也有廣泛的應(yīng)用[1-3]。

為完成科學(xué)目標的精確測量,激光反射器組件必須滿足衛(wèi)星載荷的技術(shù)指標,包括測量距離、測量范圍以及測量精度等。同時為保證科學(xué)測量任務(wù)的可靠實施,反射器組件應(yīng)滿足衛(wèi)星地面段(制造、組裝、運輸、儲存、試驗等條件)、發(fā)射段(聲、振動、沖擊和加速度等力學(xué)環(huán)境)以及軌道運行階段(真空、微重力、高低溫交變、強輻射等空間環(huán)境)三個階段的環(huán)境和載荷要求[4]。

衛(wèi)星激光反射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是激光反射器設(shè)計的重要內(nèi)容,主要包括反射器陣列結(jié)構(gòu)布局、角反射器組件結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)環(huán)境防護、環(huán)境載荷仿真分析等內(nèi)容,本文以Galileo衛(wèi)星激光反射器為例,闡述了中高軌衛(wèi)星激光反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計所需解決的一系列問題和措施途徑。

2 結(jié)構(gòu)布局和組成

星載激光反射器的結(jié)構(gòu)通常采用若干角反射器陣列結(jié)構(gòu)組成,與單一角反射器CCR相比,可減小尺寸和重量,提高合作目標遠場角,減小光束發(fā)散角,對傳輸中激光因大氣非均勻性引起的畸變進行光學(xué)補償。為實現(xiàn)科學(xué)目標的有效測量,激光后向反射器組件應(yīng)具有較高的激光反射率和較小的發(fā)散特性,以保證反射信號具有足夠的光強[1]。

對于低軌衛(wèi)星,激光反射器通常采用半球(圖1(a))或半圓臺結(jié)構(gòu)(圖(b)),使陣列的有效反射面積在觀測區(qū)域?qū)ΨQ分布且保持均勻,保證在低仰角條件下也可完成測距；對于中高軌衛(wèi)星,則采取平面排列方式(圖1(c))；導(dǎo)彈、運載火箭用激光反射器結(jié)構(gòu)與低軌衛(wèi)星類似(圖1(d))；月球用激光反射器結(jié)構(gòu)與中高軌衛(wèi)星類似(圖1(e))[1-2]。

圖1 各種激光反射器結(jié)構(gòu)

Galileo衛(wèi)星設(shè)計軌道高度為23200 km,屬于中軌衛(wèi)星,結(jié)構(gòu)設(shè)計采取平面類圓形排列方式(圖2),布局包絡(luò)直徑小,結(jié)構(gòu)緊湊、各個角反射器組件可分別獨立安裝、調(diào)試,裝調(diào)便利。

激光反射器結(jié)構(gòu)由固定基板、角反射器陣列組件以及相應(yīng)的固定安裝連接件組成(圖2),固定基板采取金屬蜂窩菱形優(yōu)化結(jié)構(gòu),重量輕便同時兼具良好的結(jié)構(gòu)剛度。

圖2 Galileo衛(wèi)星激光反射器外形

角反射器為四面體錐狀棱鏡結(jié)構(gòu),具有空間定向發(fā)射特性。作為一種無源光學(xué)器件,角反射器的特性(形狀、幾何尺寸、角誤差、鍍膜等)決定激光反射器的性能。例如,直角面鍍膜的角誤差決定激光反射器的遠場衍射光斑分布和速度光行差補償；直角面鍍膜的角反射器可增大傾斜角,適宜低軌衛(wèi)星；對于高軌衛(wèi)星,反射率為主要問題,通常采用不鍍膜方式等；而角反射器的結(jié)構(gòu)組裝方式,尤其是機械結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)力直接改變和影響反射器幾何形態(tài),一定程度上影響光學(xué)性能[1,5-6]。

Galileo衛(wèi)星角反射器的結(jié)構(gòu)固定以變形最小原則進行設(shè)計,考慮衛(wèi)星特點,角反射器采取直角面不鍍膜方式,因此,不可使用直角面彈性固定的方式,必須使其固定部位在光學(xué)有效反射截面之外。

單個角反射器組件結(jié)構(gòu)由金屬殼體、角反射器和角反射器彈性/緩沖結(jié)構(gòu)單元組成。為防止CCR松動和保護角反射器,在金屬殼體座和角反射器之間添加彈性/緩沖結(jié)構(gòu)單元,角反射器彈性/緩沖結(jié)構(gòu)單元即可用于減振緩沖,又可用于熱高低溫環(huán)境變化引起的軸向間隙補償。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計主要問題和途徑

作為激光反射器的基礎(chǔ),反射器結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的強度、剛度和精度維持反射器的正常功能,滿足星載對其結(jié)構(gòu)特性(質(zhì)量和尺寸)、固有頻率、環(huán)境試驗、空間輻照、靜電防護(ESD)、隔熱傳導(dǎo)等方面的技術(shù)要求。

3.1 材 料

反射器材料設(shè)計應(yīng)保證剛度、強度、韌性、耐腐蝕性等機械結(jié)構(gòu)性能,滿足相應(yīng)的空間環(huán)境穩(wěn)定性、熱物理性能、材料真空出氣要求和制造工藝性能要求[4]。

作為高軌星載艙外設(shè)備,Galileo激光合作目標需滿足壽命12年(外露零件需承受109lad粒子射線輻射),設(shè)計工作溫度-160～140 ℃的高真空環(huán)境要求。

設(shè)計選取航天A級防銹鋁基合金,以滿足結(jié)構(gòu)基體的重量、強度、應(yīng)力腐蝕性和機械可加工性要求；選取工作溫度范圍廣(-200～260 ℃)、機械性能好、抗輻射性高的聚酰亞胺(PI)作為隔熱材料；選取比強度高的鈦合金作為螺釘連接材料；選取高低溫彈性穩(wěn)定性高的鈹青銅作為彈性鎖緊材料。

為保證星載環(huán)境和三向消應(yīng)力要求,核心關(guān)鍵光學(xué)角反射器材料采用優(yōu)質(zhì)宇航3D級高純?nèi)廴谑⒉Ａ?；輻照壽命實驗表?在承受109lads輻射之后,石英玻璃透光性完好,樣片光學(xué)性能變化微小(試片厚度5 mm,透過率僅由92.80%降低至92.52%)。

3.2 減振隔沖

在地面段、衛(wèi)星發(fā)射段或軌道運行階段,反射器會承受多次寬頻帶高量級任意方向、不同種類的振動或沖擊。過大的振動和沖擊會對反射器組件的結(jié)構(gòu),特別是對角反射器CCR容易造成變形或損傷,從而影響壽命和工作精度,對于高軌長壽命衛(wèi)星,通常所采用的橡膠、聚氟乙烯等常規(guī)工程減振材料均無法滿足要求。

Galileo結(jié)構(gòu)通過添加專研減振材料,局部和整體防護方式解決了此問題,采用本減振隔沖技術(shù)的激光反射器整體通過了全部的機械和熱環(huán)境鑒定試驗,其中單個角反射器可經(jīng)歷持續(xù)時間為240 s150 gRMS綜合量級的隨機振動、X/Y/Z向機械沖擊波(100 Hz:40g;1500 Hz:2200g,10000 Hz:2200g)以及8次的-155～+135 ℃的高低溫真空循環(huán),試驗完畢機械結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能均保持完好一致。

3.3 靜電防護(ESD)

靜電積累可能對設(shè)備自身或星體其他電子設(shè)備造成損傷,加上石英玻璃為非導(dǎo)電絕緣體,正常情況下靜電荷無法安全釋放,必須考慮靜電防護。

為增加靜電荷傳遞效率和可靠性,采取下述途徑:

1)在角反射器入(出)光表面鍍ITO導(dǎo)電膜,促使靜電荷快速釋放；

3)導(dǎo)體之間采用大量多點面接觸,任意一點面的失效不影響電荷的傳遞；

經(jīng)測試,Galileo激光后向反射器接地良好,角反射器光學(xué)表面和接地位置的最大電阻值小于0.3 mΩ,滿足設(shè)計要求(小于10 mΩ)。

3.4 熱 控

作為空間艙外設(shè)備,反射器和衛(wèi)星之間的傳熱包括傳導(dǎo)和輻射兩種途徑[7]。

星載外露設(shè)備表面的熱輻射性質(zhì)決定于熱控涂層表面的特性(熱吸收率αs和輻射率ε),特別是在高真空太空環(huán)境下,衛(wèi)星和周圍環(huán)境之間的傳熱只有通過輻射方式完成。

為減少激光后向反射器和衛(wèi)星本體之間的熱漏,維持衛(wèi)星本體各工作設(shè)備的溫度穩(wěn)定,需進行低導(dǎo)隔熱熱控設(shè)計。

1)自身溫度的控制

反射器自身溫度的控制是對基體外露元件的表面熱物理特性進行合理的熱參數(shù)設(shè)計。

敬按：先襄毅公嘗云；元季兵燹譜牒散逸，無從追考。始以八一府君為始。曰始者，不得已而權(quán)之之詞也。后獲山陰舊譜及家乘，則自評事公至八一公七世犁然可考，又安得不以評事為始遷祖乎？既以評事為始遷祖，則不得有二始始，追而謹書之，期無失乎襄毅之遺意也。[1]

Galileo采用航天鋁光亮陽極氧化工藝對金屬結(jié)構(gòu)材料進行表面熱控處理,控制材料吸收率αs和輻射率ε。

2)與衛(wèi)星的熱交換

為避免熱交換對衛(wèi)星本體設(shè)備造成影響,對激光反射器的熱交換做出限制(小于±5W),采取下述結(jié)構(gòu)熱控措施:

a)添加合適的低導(dǎo)熱率的隔熱墊片,以隔絕激光后向反射器和衛(wèi)星之間的熱傳導(dǎo)；

b)添加當量導(dǎo)熱系數(shù)極低的多層隔熱材料(MLI)以隔絕固定基板底面和衛(wèi)星安裝面之間的熱輻射。

通過I-DEAS/TMG軟件仿真分析,采用本熱控設(shè)計技術(shù)方案的角反射器理論計算工作溫度為-87.7～+25.7 ℃(圖3),增加計算裕度后激光后向反射器理論計算工作溫度為-146～+85.4 ℃(實際產(chǎn)品鑒定溫度為-146～+115 ℃)；與衛(wèi)星的熱交換量4.89 W,符合設(shè)計要求。

圖3 角反射器瞬態(tài)溫度變化圖

4 載荷結(jié)構(gòu)分析和仿真

反射器所受的環(huán)境載荷分為靜載荷和動載荷兩類,主要包括三軸慣性加速度、正弦掃頻、隨機振動、沖擊(機械和溫度)等。

Galileo設(shè)計通過三維CAD軟件建立激光反射器結(jié)構(gòu)模型,利用工程CAE軟件對其進行有限元計算和處理(圖4),以驗證設(shè)計合理性和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖4 激光反射器有限元模型

1)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力

最大結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力發(fā)生在高溫工況(+140 ℃),最大應(yīng)力及MS值見表1。

表1 最大結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力及MS值

注:①σallowed值為屈服強度；②σallowed值為極限強度。

2) 結(jié)構(gòu)動應(yīng)力

最大結(jié)構(gòu)動應(yīng)力發(fā)生在Z向隨機試驗過程中,最大應(yīng)力及MS值見表2和圖5。

表2 最大結(jié)構(gòu)動應(yīng)力及MS值

注:①σ-1值為疲勞循環(huán)應(yīng)力(MPa)。

圖5 零件應(yīng)力、位移云圖(Z向)

3)結(jié)構(gòu)模態(tài)

全約束條件下,一階Z向固有頻率為231 Hz,滿足設(shè)計要求(>140 Hz)；任一螺釘失效的情況下,最小一階固有頻率為186.14 Hz,依舊滿足>140 Hz ；實際實驗所測全約束條件下一階最小固有頻率(豎直Z向)約為223 Hz。結(jié)構(gòu)模態(tài)云圖如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)模態(tài)云圖

4)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對光學(xué)的影響

a)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力對光學(xué)的影響

機械和熱應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)變形會直接引起內(nèi)部CCR光程的變化,從而影響光學(xué)性能,特別是剛裝配完畢的角反射器由于內(nèi)部瞬間產(chǎn)生應(yīng)力梯度,改變原有平衡狀態(tài),光學(xué)FFDP發(fā)生明顯變化,因此進行應(yīng)力釋放,促使角反射器內(nèi)部晶粒排布趨于穩(wěn)定[5]。如圖7所示。

圖7 機械裝配應(yīng)力對光學(xué)性能(FFDP)的影響

由表面變形δ引起的遠場衍射歸一化能量FFDP分布可表示為[8]:

(1)

裝配以及熱變形引起的CCR有效入(出)射面面形變化PV值如表3所示,可以看出對光學(xué)性能ΔE影響較小。

表3 最大結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力變形及PV值

注:①λ為綠光波長532 nm；②ΔE為能量變化。

b)結(jié)構(gòu)動應(yīng)力對光學(xué)的影響

機械和熱動態(tài)環(huán)境試驗前后光學(xué)FFDP的變化如表4所示,可以看出試驗前后光學(xué)性能變化微小。

表4 動態(tài)環(huán)境試驗前后FFDP對比

5 結(jié) 論

本文闡述了Galileo衛(wèi)星激光反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路、主要問題和解決措施,同時針對星載機械和熱環(huán)境載荷進行了仿真模擬計算,并對其計算結(jié)果進行了討論分析,分析結(jié)果表明設(shè)計合理可行。

作為中歐伽利略合作專項唯一上星產(chǎn)品,四顆Galileo激光角反射器(Galileo-101、102、103、104)已分別于2011年10月和2012年10月隨星成功發(fā)射。進入國際測距網(wǎng)聯(lián)測后,數(shù)十個站點對其進行了追蹤觀測,截止2017年9月6日,共獲得標準點數(shù)121080個,有效觀測圈數(shù)已達32688圈,觀測效果明顯優(yōu)于同類國內(nèi)外產(chǎn)品,測距范圍、測距精度均滿足設(shè)計要求,在實際工程應(yīng)用中進一步驗證了Galileo結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理。