基于平臺(tái)和載荷一體化敏捷光學(xué)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

孫 偉， 錢 勇， 李文峰， 陳占勝

(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)

0 引言

近年來(lái)，高分辨率敏捷機(jī)動(dòng)衛(wèi)星已成為衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一[1]；所謂敏捷衛(wèi)星(agile satellite)，是指具有快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的衛(wèi)星。敏捷光學(xué)衛(wèi)星與高分辨率遙感儀器結(jié)合，借助整星敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)的性能，可實(shí)現(xiàn)空間高分辨率快速成像，實(shí)現(xiàn)包括同軌多條帶拼接成像和同軌立體成像等多種模式成像，提高載荷利用率。

提高衛(wèi)星的敏捷性能主要有兩種方法：

a) 一是配置大輸出力矩的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)[2]，提高衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)性能，如采用使用大力矩動(dòng)量輪或控制力矩陀螺；

b) 二是從設(shè)計(jì)上減小衛(wèi)星的固有慣量，縮小整星尺寸并使質(zhì)量相對(duì)集中，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化整星構(gòu)型。

在工程設(shè)計(jì)中，單純使用大力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)，會(huì)過(guò)多消耗機(jī)、熱、電等整星寶貴的設(shè)計(jì)資源，衛(wèi)星構(gòu)型也限制了大尺寸執(zhí)行部件使用；從整星總體設(shè)計(jì)分析，優(yōu)化整星構(gòu)型，減少衛(wèi)星尺寸，使衛(wèi)星獲得較小的慣量較為經(jīng)濟(jì)可行；較小的衛(wèi)星，可選擇較輕控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，降低整星質(zhì)量或在選用同等執(zhí)行機(jī)構(gòu)條件下，進(jìn)一步提高衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)性能。

承上述，提高衛(wèi)星敏捷性能較可行的方法為優(yōu)化衛(wèi)星構(gòu)型，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于敏捷光學(xué)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決以下問(wèn)題：

a) 合理設(shè)計(jì)衛(wèi)星平臺(tái)及載荷優(yōu)化整星構(gòu)型及慣量，使衛(wèi)星平臺(tái)與光學(xué)載荷連接達(dá)到整星緊湊性；

b) 整星模態(tài)特性滿足運(yùn)載要求；

c) 衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)具有較大強(qiáng)度裕度；

d) 衛(wèi)星可為單機(jī)提供良好的力學(xué)承載環(huán)境。

1 敏捷光學(xué)衛(wèi)星構(gòu)型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)

設(shè)衛(wèi)星采用降交點(diǎn)地方時(shí)6：00太陽(yáng)同步軌道，則衛(wèi)星可采取構(gòu)型如圖1、圖2所示。

X向?yàn)轱w行方向，Z向?yàn)閷?duì)地觀測(cè)方向，衛(wèi)星可通過(guò)繞俯仰軸大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)(如圖2)在保證衛(wèi)星能源前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)A的連續(xù)觀測(cè)

或目標(biāo)的前后成像；也可以通過(guò)滾動(dòng)軸姿態(tài)機(jī)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)平面目標(biāo)成像；由于帆板固連與星體，衛(wèi)星可采用姿態(tài)機(jī)動(dòng)的方法使得太陽(yáng)帆板獲得較為優(yōu)異的光照角來(lái)獲得足夠的能源。

高分辨率相機(jī)與衛(wèi)星平臺(tái)連接方式可分為直接對(duì)接式、嵌入安裝式、一體式三種，三種構(gòu)型與連接方式對(duì)比如表1所示[3]。

表 1三種構(gòu)型及連接方式對(duì)比

從工程可實(shí)現(xiàn)性及衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)繼承性考慮：

a) 一體式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最為緊湊，但在當(dāng)前太陽(yáng)同步軌道下，衛(wèi)星絕大多數(shù)單機(jī)無(wú)安裝面，散熱面積不夠，不利于載荷散熱；

b) 采用“嵌入安裝式”優(yōu)化衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)與載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可保留原有衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)，單機(jī)安裝和散熱面都得到較好解決；

c) 通過(guò)優(yōu)化太陽(yáng)電池陣與星體連接方式，在降低整星慣量同時(shí)，減少帆板撓性振動(dòng)對(duì)整星影響，增強(qiáng)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的成像質(zhì)量。

1.2 衛(wèi)星平臺(tái)與載荷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

“嵌入安裝式”實(shí)現(xiàn)如下，載荷主結(jié)構(gòu)為圓筒形如圖3(a)，衛(wèi)星主承力筒為“圓柱+圓錐”結(jié)構(gòu)如圖3(b)，因此以相機(jī)主結(jié)構(gòu)代替承力筒上端圓柱筒結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖3(c)所示。

衛(wèi)星平臺(tái)與相機(jī)一體化設(shè)計(jì)與衛(wèi)星平臺(tái)、相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)差異如下：

a) 像機(jī)載荷與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)安裝接口由承力筒柱段更改至錐段，整星質(zhì)心高度降低約0.3 m，X、Y兩軸主慣量下降了約40%(參見(jiàn)表2),由此不僅改善了衛(wèi)星橫向基頻，并進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量；

b) 整合后的一體化設(shè)計(jì)滿足光學(xué)部件承載要求，依據(jù)承力筒柱段承載條件及力學(xué)特性要求設(shè)計(jì)，借鑒了現(xiàn)有衛(wèi)星承力筒設(shè)計(jì)思路，充分繼承現(xiàn)有平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案,設(shè)計(jì)也具有很好的繼承性，大大減輕工程化難度。

結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時(shí)，充分考慮以下因素：

a) 碳纖維在鋪層設(shè)計(jì)達(dá)到每層承載均勻化，不存在薄弱鋪層；

b) 合理設(shè)計(jì)承力筒圓錐段錐度，避免較劇烈過(guò)渡，產(chǎn)生應(yīng)力集中；

c) 在傳力路徑保證完整性，主載荷傳力可設(shè)計(jì)多條，并行加固。

主傳力路徑路線從上至下設(shè)計(jì)如圖4所示。

載荷由結(jié)構(gòu)板和桁架梁將在軌工作部分的過(guò)載以及貯箱安裝板上的燃料載荷傳遞到承力筒、星箭連接環(huán)(Ф 937接口)、適配器至運(yùn)載火箭。

在進(jìn)行梁系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，接頭處采用一體化成型設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)質(zhì)量，桿件與接頭處采用膠結(jié)方式固定。

1.3 太陽(yáng)電池陣與星體連接設(shè)計(jì)

根據(jù)慣量計(jì)算公式，3塊太陽(yáng)電池陣附加到整星慣量計(jì)算為

(1)

表2 衛(wèi)星質(zhì)量特性(相對(duì)質(zhì)心)

因此，太陽(yáng)電池陣采用兩塊展開(kāi)，一塊與衛(wèi)星固連的方式(如圖5)，摒棄原兩翼展開(kāi)太陽(yáng)電池陣方案(每翼1塊半)。

整星在展開(kāi)后的相對(duì)質(zhì)心的慣量(kgm2)矩陣為

(2)

兩翼對(duì)稱式太陽(yáng)電池陣展開(kāi)后相對(duì)質(zhì)心慣量(kgm2)值為

(3)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，體裝式太陽(yáng)電池陣整星慣量較小。

1.4 質(zhì)量特性比較

相機(jī)直接安裝到衛(wèi)星承力筒構(gòu)型與衛(wèi)星平臺(tái)與相機(jī)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，兩者質(zhì)量及主慣量比較如表2所示。

從表中比較，采用“嵌入式”一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)相機(jī)直接安裝，降低了衛(wèi)星質(zhì)心，將X、Y兩軸主慣量(相對(duì)質(zhì)心)優(yōu)化了20%，提高了衛(wèi)星敏捷性。

2 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)有限元分析

為驗(yàn)證整星的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，根據(jù)整星構(gòu)型、布局與結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行了整星結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。

2.1 有限元建模

(1) 建立方法

整星有限元模型如圖6所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)組件力學(xué)特性劃分為線單元[4-5]、面單元、體單元，通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)表示結(jié)構(gòu)中位移、應(yīng)變、應(yīng)力等物理參數(shù)；根據(jù)結(jié)點(diǎn)自由度特征，組合得到整體剛度矩陣、質(zhì)量矩陣，載荷列陣；再根據(jù)不同分析工況，對(duì)剛度矩陣、質(zhì)量矩陣進(jìn)行處理，并進(jìn)行求解。在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)建模時(shí)充分模擬結(jié)構(gòu)物理特性，不僅僅在結(jié)構(gòu)幾何上與實(shí)物一致。

(2) 質(zhì)量特性

整星有限元分析的質(zhì)量特性如表3所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化，整星有限元模型含12 082個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，1 086個(gè)CBAR單元， 72個(gè)CBEAM單元，1 368個(gè)CHEXA體單元，8 328個(gè)CQUAD4四邊形板殼單元，768個(gè)CTRIA3三角形板殼單元以及1個(gè)CONM2單元。

(3) 邊界條件

邊界條件為星箭對(duì)接環(huán)各節(jié)點(diǎn)固支連接。

2.2 結(jié)構(gòu)特性分析

(1) 模態(tài)分析

模態(tài)分析的基本的有限元方程為

[K]{u}=0

(4)

在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，衛(wèi)星底部固支，整星主要模態(tài)頻率如表4所示。

表3 整星有限元模型質(zhì)量特性(相對(duì)星箭分離面)

表4 整星前20階模態(tài)及模態(tài)有效質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果

圖7、圖8為衛(wèi)星Y向、X向一階彎曲頻率。

從模態(tài)結(jié)果可以看出，一階基頻在50 Hz以上，滿足運(yùn)載對(duì)衛(wèi)星基頻要求，整星具備良好的剛度特性。

(2) 靜力分析

靜力學(xué)分析的基本的有限元方程為

[K]{u}={p}

(5)

式中：[K]為整星的彈性剛度矩陣；{u}為結(jié)點(diǎn)廣義位移向量；{p}為結(jié)點(diǎn)載荷向量。

(a) 靜力分析工況

根據(jù)運(yùn)載方提供的衛(wèi)星質(zhì)心處準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載系數(shù)，選取1.5倍的安全系數(shù)，得到衛(wèi)星設(shè)計(jì)的準(zhǔn)靜態(tài)設(shè)計(jì)載荷。依據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)設(shè)計(jì)載荷確定整星靜力分析工況(三方向)如表5所示。

表5 衛(wèi)星整星靜力分析工況

(b) 整星靜力分析結(jié)果

上述4種工況下的最大變形見(jiàn)表6所示，4種工況下最大形變不大于0.5 mm。

表6 衛(wèi)星整星最大形變

(c) 分析結(jié)論

其余主要結(jié)構(gòu)部件靜力分析結(jié)果在此不再詳述，直接給出結(jié)果如下：承力筒最大應(yīng)力為39.1 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力;整星桁架最大應(yīng)力為29.8 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力;星箭連接環(huán)最大應(yīng)力為44.4 MPa，小于鋁合金的許用應(yīng)力。

上述部件代表了衛(wèi)星處于過(guò)載以及底部固支狀態(tài)下最為危險(xiǎn)的狀態(tài)，衛(wèi)星在給定的過(guò)載工況下，星體結(jié)構(gòu)受力安全。

(3) 動(dòng)響應(yīng)分析

動(dòng)響應(yīng)分析方程如下

(6)

頻率響應(yīng)分析采用星箭分離面輸入激勵(lì)的邊界條件，通過(guò)模態(tài)疊加法，對(duì)整星在三個(gè)方向上的頻率響應(yīng)進(jìn)行分析；X/Y/Z向在8 Hz～100 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)幅值取1 g，阻尼比取0.05。最大加速度統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表7 X/Y/Z方向最大動(dòng)響應(yīng)及位置

從動(dòng)響應(yīng)結(jié)果來(lái)看，動(dòng)響應(yīng)最大發(fā)生在太陽(yáng)電池陣與衛(wèi)星連接處等力學(xué)環(huán)境較苛刻處，最大量級(jí)不大于14 g，可為載荷提供較優(yōu)的力學(xué)承載環(huán)境。

(4) 分析結(jié)果總結(jié)及討論

整星結(jié)構(gòu)模態(tài)、靜力學(xué)及動(dòng)響應(yīng)特性各項(xiàng)指標(biāo)較好；在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，可在太陽(yáng)電池陣與衛(wèi)星連接處設(shè)計(jì)局部“角撐”改善局部動(dòng)響應(yīng)特性；在滿足整星力學(xué)性能基礎(chǔ)上，并進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減薄主承力筒壁厚，優(yōu)化支撐梁截面積、相機(jī)支撐的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

3 結(jié)論

本文采用相機(jī)與衛(wèi)星平臺(tái)一體化連接方式來(lái)設(shè)計(jì)衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)有效地降低了衛(wèi)星慣量，非常利于衛(wèi)星敏捷性能實(shí)現(xiàn)；有限元分析表明，結(jié)構(gòu)模態(tài)、靜力學(xué)變形及應(yīng)變、動(dòng)響應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)，滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)可通過(guò)模態(tài)、靜力學(xué)及振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)一步考核驗(yàn)證。