基于多觀測(cè)模式的科學(xué)衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

李昂 趙二鑫 洪斌 張龍

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星裝載高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡以及空間環(huán)境探測(cè)器(SEM)等4個(gè)空間探測(cè)有效載荷,其主要科學(xué)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1～250 keV的X射線高靈敏度和高空間分辨率巡天成像,探測(cè)大批超大質(zhì)量黑洞和其它高能天體,研究宇宙X射線背景輻射和活動(dòng)星系核的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。HXMT衛(wèi)星的主要觀測(cè)模式包括巡天觀測(cè)模式、小天區(qū)觀測(cè)模式、定點(diǎn)觀測(cè)模式和伽馬暴觀測(cè)模式。

衛(wèi)星基于資源二號(hào)衛(wèi)星平臺(tái),根據(jù)有效載荷需求進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì),衛(wèi)星構(gòu)型和布局則以有效載荷需求為中心,采取多種措施,一方面滿足有效載荷觀測(cè)需求,另一方面為有效載荷創(chuàng)造良好的力熱環(huán)境。由于有效載荷具有巡天、小天區(qū)、定點(diǎn)和伽馬暴等觀測(cè)模式,導(dǎo)致衛(wèi)星沒有穩(wěn)定的對(duì)地面,為滿足有效載荷低溫需求,衛(wèi)星采用－Z面安裝遮陽板并在各觀測(cè)模式下采用－Z面對(duì)日定向的姿態(tài),保證有效載荷不受太陽直射;為保證有效載荷的高精度觀測(cè),將星敏感器與有效載荷進(jìn)行一體化共基準(zhǔn)安裝,星敏感器支架采用碳纖維復(fù)合材料以提高連接剛度并減小熱變形;主有效載荷——硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量為970 kg,為降低有效載荷動(dòng)力學(xué)響應(yīng),將載荷艙高度由1050 mm降低到660 mm,將平臺(tái)設(shè)備盡量安裝到服務(wù)艙,為此,需提高服務(wù)艙裝填密度;同時(shí)構(gòu)型布局設(shè)計(jì)還要兼顧衛(wèi)星的總裝可操作性,以方便地面總裝集成、起吊、運(yùn)輸?shù)炔僮鱗1]。

1 HXMT衛(wèi)星多觀測(cè)模式對(duì)構(gòu)型布局需求分析

HXMT衛(wèi)星所承載的X射線望遠(yuǎn)鏡為實(shí)現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)需要完成巡天、定點(diǎn)、小天區(qū)和伽馬暴觀測(cè),望遠(yuǎn)鏡光軸需要指向天空;且構(gòu)型上要盡可能降低衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)有效載荷感生本底干擾和屏蔽地球大氣的反照本底,即有效載荷的探測(cè)方向需要背向衛(wèi)星服務(wù)艙安裝。同時(shí)需要進(jìn)行各觀測(cè)模式對(duì)衛(wèi)星構(gòu)型布局的需求分析。

1.1 巡天觀測(cè)模式

巡天觀測(cè)模式用于發(fā)現(xiàn)被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和大量未知天體,研究宇宙硬X射線背景和活動(dòng)星系核的統(tǒng)計(jì)性質(zhì),以加深對(duì)超大質(zhì)量黑洞起源、形成和吸積歷史、星系形成和演化等的認(rèn)識(shí)。巡天觀測(cè)模式要求整星－Z軸對(duì)日定向慢旋,在慢旋中保證安裝在星體＋X方向的望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)不會(huì)受到地球遮擋,控制衛(wèi)星本體坐標(biāo)系時(shí)刻與當(dāng)前目標(biāo)坐標(biāo)系重合,即可實(shí)現(xiàn)巡天觀測(cè)模式的控制要求。選擇星敏感器作為姿態(tài)測(cè)量部件,為實(shí)現(xiàn)星敏感器與望遠(yuǎn)鏡指向的精準(zhǔn)性,需要在構(gòu)型布局設(shè)計(jì)中保證甚高星敏感器與望遠(yuǎn)鏡為共基準(zhǔn)安裝。

1.2 定點(diǎn)和伽馬暴觀測(cè)模式

定點(diǎn)觀測(cè)模式用于對(duì)黑洞、中子星、活動(dòng)星系核等高能天體的定向觀測(cè),分析其光變和能譜性質(zhì),研究致密天體和黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)中物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)和高能輻射過程;且在此觀測(cè)模式下可以對(duì)亮的脈沖星和X射線雙星實(shí)施定向觀測(cè),進(jìn)行快速的時(shí)變分析。定點(diǎn)觀測(cè)模式要求衛(wèi)星＋X軸指向空間某一位置,通過對(duì)整星姿態(tài)進(jìn)行控制,保證＋Z面以及±Y面不受太陽照射,太陽翼在對(duì)準(zhǔn)太陽后處于保持模式。定點(diǎn)觀測(cè)模式下需要著重解決能源與熱控問題,即改善太陽翼的日照條件以及有效載荷的低溫?zé)峥?為保證有效載荷的低溫要求,減小太陽熱流的影響,需要在衛(wèi)星－Z面設(shè)置遮陽裝置。

伽馬暴觀測(cè)模式是通過降低主探測(cè)器光電倍增管的高壓,改變望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)能區(qū),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定天體高能區(qū)伽馬射線暴的觀測(cè),屬于一種特殊的定點(diǎn)觀測(cè),對(duì)構(gòu)型布局需求與定點(diǎn)觀測(cè)模式相同。

1.3 小天區(qū)模式

小天區(qū)深度掃描模式與定點(diǎn)觀測(cè)模式非常相似,都是相對(duì)慣性空間定向,定點(diǎn)觀測(cè)的觀測(cè)目標(biāo)為慣性空間某一點(diǎn),而小天區(qū)深度掃描的觀測(cè)目標(biāo)為慣性空間某一有限張角的區(qū)域。小天區(qū)掃描模式要求衛(wèi)星＋X軸指向局部天區(qū)進(jìn)行逐行掃描,太陽翼在對(duì)準(zhǔn)太陽后保持不動(dòng)。該觀測(cè)模式對(duì)構(gòu)型布局的需求與定點(diǎn)觀測(cè)模式一致。

1.4 其他模式

衛(wèi)星在軌運(yùn)行除了正常的觀測(cè)模式,還有許多其他必要的傳統(tǒng)工作模式,如發(fā)射入軌模式、姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式、軌控模式、應(yīng)急模式等。衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)與工作模式設(shè)計(jì)是一個(gè)相互迭代和促進(jìn)的過程,因構(gòu)型上在－Z面設(shè)置了遮陽裝置,衛(wèi)星在姿態(tài)機(jī)動(dòng)和軌控工作模式中,均首先將衛(wèi)星轉(zhuǎn)入－Z軸對(duì)日狀態(tài),而這又會(huì)對(duì)遮陽裝置的遮陽能力及構(gòu)型尺寸提出需求。特別是HXMT衛(wèi)星采用傾斜軌道,太陽光照條件較為復(fù)雜,考慮星上能源需求,為保證軌控期間太陽翼仍具有較好的日照條件,需根據(jù)構(gòu)型對(duì)軌控姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)姿軌控推力器進(jìn)行合理布局設(shè)計(jì)。

在各種觀測(cè)模式下,－Z面均會(huì)受到陽光的照射,溫度較高,而＋Z面均不會(huì)受到陽光照射,溫度相對(duì)較低,則構(gòu)型布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮將熱耗較高設(shè)備盡量靠近星體＋Z側(cè)。

2 HXMT衛(wèi)星適應(yīng)多觀測(cè)模式構(gòu)型布局設(shè)計(jì)

2.1 整星模塊化、集成化構(gòu)型設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星整星構(gòu)型采用模塊化分艙段的設(shè)計(jì)思路[2],劃分為獨(dú)立的載荷艙和服務(wù)艙。為適應(yīng)主有效載荷——硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡安裝,載荷艙承力筒采用倒錐形式,上、下端框直徑分別與主有效載荷及服務(wù)艙承力筒相適應(yīng)。

HXMT衛(wèi)星采用模塊化分艙段構(gòu)型設(shè)計(jì),既利于服務(wù)艙繼承使用,又利于有效載荷的集成化。載荷艙獨(dú)立設(shè)計(jì),可以使有效載荷更靈活的根據(jù)用戶的需求而改變,且易于實(shí)現(xiàn)載荷艙的布局、總裝和測(cè)試[3]。

HXMT衛(wèi)星整星發(fā)射質(zhì)量2496 kg,衛(wèi)星本體為立方體構(gòu)型,截面為1.8 m×2 m。服務(wù)艙高度為1.6 m,載荷艙高度為0.6 m。衛(wèi)星±Y面均安裝太陽翼,發(fā)射時(shí),太陽翼折疊收攏壓緊在衛(wèi)星兩側(cè),發(fā)射狀態(tài)衛(wèi)星的輪廓尺寸為Φ2.9 m×4 m,衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型如圖1所示;入軌后,衛(wèi)星太陽翼展開狀態(tài)的橫向尺寸為15 m,衛(wèi)星入軌太陽翼展開狀態(tài)構(gòu)型如圖2所示。

圖1 衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型Fig.1 Configuration of launch

圖2 衛(wèi)星飛行狀態(tài)構(gòu)型Fig.2 Configuration of flight

2.2 低本底干擾載荷布局設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星主有效載荷硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡為一體化安裝的高能、中能、低能望遠(yuǎn)鏡[4],外包絡(luò)尺寸1.9 m×1.6 m×0.9 m,總質(zhì)量970 kg。望遠(yuǎn)鏡主結(jié)構(gòu)配置有3層安裝板,其中上板為高能、中能、低能望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直器提供安裝平臺(tái);下板位于底部(載荷艙內(nèi)),主要作用是將主探測(cè)器的光電倍增管外殼法蘭聯(lián)結(jié)成一體,提高整體結(jié)構(gòu)的剛度。中板法蘭作為主有效載荷與星體機(jī)械的連接面,設(shè)置有定位銷孔和安裝連接孔,用于與載荷艙定位和連接。

HXMT衛(wèi)星采用模塊化分艙段的構(gòu)型設(shè)計(jì),為隔離平臺(tái)對(duì)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)器的感生本底干擾,將望遠(yuǎn)鏡安裝在獨(dú)立的載荷艙頂面,并將有效載荷視場(chǎng)背向服務(wù)艙安裝。采取這種構(gòu)型布局設(shè)計(jì),并通過合理優(yōu)化衛(wèi)星飛行姿態(tài),可以保證有效載荷對(duì)天指向,視場(chǎng)內(nèi)無遮擋,并且高能望遠(yuǎn)鏡可以通過碘化銫(CsI)屏蔽掉荷電粒子與衛(wèi)星服務(wù)艙物質(zhì)作用產(chǎn)生的感生本底,同時(shí)屏蔽大氣反照本底,使得望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中背景均勻分布。HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡布局設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡布局Fig.3 Configuration of telescope

2.3 星敏感器與望遠(yuǎn)鏡一體化安裝布局設(shè)計(jì)

為保證硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡光軸的指向確定精度,除要求望遠(yuǎn)鏡與星敏感器實(shí)施在軌標(biāo)定外,還需要從總體構(gòu)型布局設(shè)計(jì)方面進(jìn)行保障。為最大限度減小有效載荷與星敏感器在發(fā)射段及在軌飛行期間的熱變形以及在軌期間結(jié)構(gòu)熱變形的同步性,必須將有效載荷與星敏感器安裝于同一主結(jié)構(gòu)[5];并保證主結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度,以此來降低二者之間的相對(duì)形變;此外,結(jié)構(gòu)要滿足一定的精度要求,提供結(jié)構(gòu)精度基準(zhǔn),保證有效載荷與星敏感器安裝所需要的特殊安裝精度;且為進(jìn)一步提高星敏感器相對(duì)望遠(yuǎn)鏡的連接剛度,實(shí)現(xiàn)共基準(zhǔn)安裝,星敏感器支架采用碳纖維復(fù)合材料,在保證連接剛度的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。HXMT衛(wèi)星星敏感器與望遠(yuǎn)鏡一體化安裝布局設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 星敏感器與望遠(yuǎn)鏡一體化安裝布局Fig.4 Integrated installation of star sensor and telescope

2.4 多維高效遮陽板布局設(shè)計(jì)

通過對(duì)觀測(cè)模式和觀測(cè)時(shí)機(jī)進(jìn)行分析,在定點(diǎn)觀測(cè)模式和小天區(qū)掃描模式下,望遠(yuǎn)鏡依然無法避免受到太陽照射[6]。因此,HXMT衛(wèi)星在構(gòu)型布局設(shè)計(jì)中需要增加遮陽板,以解決陽光與＋X軸夾角在70°～90°以及與±Y夾角11°時(shí)望遠(yuǎn)鏡受到陽光照射問題。

望遠(yuǎn)鏡的有效載荷遮陽板的作用主要用于遮擋陽光,減小有效載荷的空間外熱流[7]。載荷遮陽板采用－Z向板同側(cè)向支撐桿的組合結(jié)構(gòu)形式。方案主要考慮,既可以遮住從－Z方向照射的太陽光,又能夠減小對(duì)熱控散熱面的遮擋,因此采用單板加支撐桿的結(jié)構(gòu)形式。有效載荷遮陽板A的尺寸為2.1 m×1.5 m。

HXMT衛(wèi)星除設(shè)置有效載荷遮陽板外,亦在衛(wèi)星－Z面設(shè)置6塊窄遮陽板B和C,以對(duì)衛(wèi)星除對(duì)日面外的其他面形成多維的遮陽效果,更利于衛(wèi)星本體和有效載荷的散熱。HXMT衛(wèi)星多維遮陽板布局設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 多維遮陽板布局Fig.5 Layout of multidimensional sun visor

2.5 高功能密度設(shè)備布局設(shè)計(jì)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡為資源二號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)衛(wèi)星目前最重的單個(gè)有效載荷,為了降低望遠(yuǎn)鏡動(dòng)力學(xué)響應(yīng),從構(gòu)型上將載荷艙高度壓縮到最低,由目前普遍1 m以上高度降到660 mm,保障單層設(shè)備的總裝操作即可,平臺(tái)設(shè)備全部安裝在服務(wù)艙中。

HXMT衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備布局采用劃功能區(qū)、高密度布局的設(shè)計(jì)思想,即將用于同一功能實(shí)現(xiàn)的分系統(tǒng)設(shè)備布置在同一功能區(qū),且功能區(qū)內(nèi)的儀器設(shè)備在滿足總裝操作和綜合測(cè)試的前提下,盡可能相對(duì)衛(wèi)星縱軸(＋X軸)緊湊安裝。提高儀器設(shè)備布局的功能密度,亦是整星構(gòu)型模塊化、集成化的體現(xiàn),每個(gè)功能區(qū)即可視作獨(dú)立的功能模塊或功能子模塊,在衛(wèi)星集成過程中,有效的較少或縮短了儀器設(shè)備間的電纜連接,更利于分系統(tǒng)級(jí)的聯(lián)試與驗(yàn)證;提高儀器設(shè)備布局的功能密度[8],更是降低衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,提高在軌敏捷性的重要措施。服務(wù)艙按照功能系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃?個(gè)功能區(qū):電源功能區(qū)、控制功能區(qū)、數(shù)傳功能區(qū)和測(cè)控/數(shù)管功能區(qū),各功能區(qū)內(nèi)儀器設(shè)備布局緊湊,電纜連接簡(jiǎn)短,功能區(qū)之間通過單根電纜即可實(shí)現(xiàn)跨區(qū)連接,通過功能區(qū)劃分進(jìn)行設(shè)備布局,服務(wù)艙干重由目前約900 kg提高到1000 kg多,同時(shí)有效簡(jiǎn)化了電纜路徑。

3 HXMT衛(wèi)星構(gòu)型布局結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 整星剛度分析與驗(yàn)證

HXMT衛(wèi)星整星采用服務(wù)艙＋載荷艙的構(gòu)型形式,其中服務(wù)艙基本結(jié)構(gòu)布局采用資源二號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局,該構(gòu)型已歷經(jīng)多星的成功發(fā)射驗(yàn)證;載荷艙為提高望遠(yuǎn)鏡的承載剛度和在軌穩(wěn)定性采用中心承力筒＋型板式結(jié)構(gòu)布局,與服務(wù)艙直接通過中心承力筒進(jìn)行連接,傳力路徑更直接可靠。為提高有效載荷遮陽板A的整體剛度和局部強(qiáng)度,有效載荷遮陽板A采用碳纖維材料面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu),亦實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的輕量化。HXMT衛(wèi)星構(gòu)型布局經(jīng)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證,整星縱向基頻為54.65 Hz,橫向基頻為13.99 Hz和13.88 Hz,均滿足運(yùn)載火箭的基頻要求。HXMT衛(wèi)星的成功發(fā)射亦驗(yàn)證了整星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 運(yùn)載相容性分析與驗(yàn)證

HXMT衛(wèi)星加注后整星質(zhì)量為2.6 t,尺寸包絡(luò)為Φ2.9 m×4 m,滿足運(yùn)載火箭的質(zhì)量約束和整流罩內(nèi)包絡(luò)的尺寸約束,且衛(wèi)星與運(yùn)載火箭采用標(biāo)準(zhǔn)的1194A星箭接口。HXMT衛(wèi)星在運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)的發(fā)射狀態(tài)如圖6所示,衛(wèi)星與運(yùn)載火箭的順利對(duì)接驗(yàn)證了整星構(gòu)型尺寸及布局設(shè)計(jì)滿足要求。

圖6 HXMT衛(wèi)星在整流罩內(nèi)的發(fā)射狀態(tài)Fig.6 Launch state in fairing

3.3 望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)分析與驗(yàn)證

HXMT衛(wèi)星主有效載荷望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)直接關(guān)系到對(duì)空間科學(xué)目標(biāo)的觀測(cè)。根據(jù)衛(wèi)星的有效載荷布局設(shè)計(jì),高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡安裝在載荷艙頂板,觀測(cè)方向?yàn)閷?duì)天觀測(cè)(＋X方向)。高能望遠(yuǎn)鏡的合成視場(chǎng)為5.7°×5.7°半錐角,其視場(chǎng)內(nèi)無遮擋;中心部位6個(gè)單體面向中心側(cè)單邊視場(chǎng)1.1°,如圖7所示,望遠(yuǎn)鏡中心的星敏及－Z面的遮陽板對(duì)高能望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)均無遮擋。中能望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)1°×4°(半錐角),由于有效載荷遮陽板A較高,其頂部與望遠(yuǎn)鏡頂部中能望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)較近,為此將遮陽板A頂部中央580 mm×250 mm范圍向－Z方向凸出22 mm(見圖5),望遠(yuǎn)鏡頂部中能望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)與遮陽板A最近距離達(dá)到26 mm,無遮擋。低能望遠(yuǎn)鏡合成視場(chǎng)6°×6°(半錐角),僅望遠(yuǎn)鏡中心的星敏感器距離較近,經(jīng)分析不會(huì)對(duì)低能望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)產(chǎn)生遮擋,中能和低能望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)分析如圖8所示。HXMT衛(wèi)星在軌已進(jìn)行正常的觀測(cè),望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)無衛(wèi)星設(shè)備背景,驗(yàn)證衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)未對(duì)望遠(yuǎn)鏡各探測(cè)視場(chǎng)造成遮擋。

圖7 高能望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)分析Fig.7 Field analysis of high energy telescope

圖8 中能、低能望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)分析Fig.8 Field analysis of medium energy and low energy telescope

3.4 遮陽板遮陽效果分析與驗(yàn)證

有效載荷遮陽板A是為解決在衛(wèi)星定點(diǎn)觀測(cè)和小天區(qū)掃描觀測(cè)時(shí),當(dāng)陽光與星體X面成20°與Y面11°的情況下,不會(huì)對(duì)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)器進(jìn)行照射,從而降低望遠(yuǎn)鏡的外熱流,保持有效載荷的低溫需求。如圖9所示,陽光與頂面成20°與側(cè)面11°情況下,有效載荷遮陽板A的遮陽范圍(圖9中虛線所示區(qū)域),可看出有效載荷遮陽板A能夠完全遮蔽高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡本體和望遠(yuǎn)鏡中心安裝的星敏感器。HXMT衛(wèi)星已在軌進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)和小天區(qū)掃描觀測(cè),未出現(xiàn)有效載荷熱控不正常的情況,有效載荷遮陽板A起到了遮擋作用。

圖9 有效載荷遮陽板A對(duì)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)器的遮擋分析Fig.9 Sheltering analysis of sun visor to telescope

3.5 總裝及測(cè)量實(shí)施性分析與驗(yàn)證

HXMT衛(wèi)星整星采用模塊化分艙設(shè)計(jì),有效的提高了衛(wèi)星總裝操作和綜合測(cè)試的開敞性。在總裝操作過程中,衛(wèi)星兩艙外板不安裝,先進(jìn)行有精度要求設(shè)備的安裝及精測(cè),然后進(jìn)行艙內(nèi)設(shè)備的安裝。衛(wèi)星的測(cè)試大致分為兩艙分離狀態(tài)下測(cè)試、兩艙對(duì)接后的測(cè)試。兩艙對(duì)接后的測(cè)試分為不裝外板、裝外板狀態(tài)測(cè)試。星上有精度要求的設(shè)備主要為控制、推進(jìn)、有效載荷分系統(tǒng)設(shè)備。望遠(yuǎn)鏡安裝精度靠加工保證,安裝完畢后進(jìn)行實(shí)測(cè);艙內(nèi)精測(cè)設(shè)備通過在外板設(shè)置相應(yīng)精測(cè)通路及轉(zhuǎn)移基準(zhǔn)即可滿足總裝測(cè)量需求。HXMT衛(wèi)星在整個(gè)衛(wèi)星總裝、集成和測(cè)試(AIT)過程中均順利完成,驗(yàn)證了構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)論

HXMT衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)作為總體設(shè)計(jì)的重要工作之一,必須以滿足科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ),以適應(yīng)和支持衛(wèi)星巡天觀測(cè)模式、定點(diǎn)觀測(cè)模式、小天區(qū)模式和伽馬暴觀測(cè)模式為任務(wù)需求,實(shí)現(xiàn)HXMT衛(wèi)星適應(yīng)望遠(yuǎn)鏡多種觀測(cè)模式的構(gòu)型布局設(shè)計(jì),結(jié)論如下:

(1)通過分析衛(wèi)星各種觀測(cè)模式的工作特性,歸納衛(wèi)星各觀測(cè)模式對(duì)構(gòu)型布局的設(shè)計(jì)需求:為降低衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)有效載荷感生本底干擾和屏蔽地球大氣的反照本底,即有效載荷的探測(cè)方向需要背向衛(wèi)星服務(wù)艙安裝;為實(shí)現(xiàn)星敏與望遠(yuǎn)鏡指向的精準(zhǔn)性,需要在構(gòu)型布局設(shè)計(jì)中保證星敏感器與望遠(yuǎn)鏡為共基準(zhǔn)安裝;為保證有效載荷的低溫要求,減小太陽熱流的影響,需要在衛(wèi)星－Z面設(shè)置遮陽裝置。

(2)采用模塊化、集成化的原理,實(shí)現(xiàn)整星服務(wù)艙＋載荷艙的構(gòu)型設(shè)計(jì),不僅實(shí)現(xiàn)了總裝操作的方便性和并行集成的需求,更易于形成獨(dú)立的平臺(tái)模塊,提高了平臺(tái)的可拓展性;將望遠(yuǎn)鏡有效載荷安裝在獨(dú)立的載荷艙頂面,并將有效載荷視場(chǎng)背向服務(wù)艙安裝,降低了有效載荷的感生本底干擾,并有效屏蔽了地球大氣的反照本底;采用星敏感器與望遠(yuǎn)鏡的一體化共基準(zhǔn)安裝布局的方式,保證了望遠(yuǎn)鏡光軸指向的確定精度;通過合理設(shè)計(jì)遮陽板構(gòu)型與布局,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星定點(diǎn)觀測(cè)與小天區(qū)掃描觀測(cè)的需求;采用功能區(qū)劃分與高密度布局的思想,實(shí)現(xiàn)了服務(wù)艙平臺(tái)設(shè)備的高功能密度布局設(shè)計(jì),有效降低了載荷艙高度并減少了線纜連接,提高了總裝的可實(shí)施性。

(3)HXMT衛(wèi)星支持多種觀測(cè)模式的構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的合理性與正確性,在衛(wèi)星總裝與測(cè)量、綜合測(cè)試、力/熱試驗(yàn)考核、衛(wèi)星發(fā)射與在軌運(yùn)行等各階段均得到了驗(yàn)證,亦為我國(guó)后續(xù)空間科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)與參考。

HXMT衛(wèi)星成功發(fā)射和在軌穩(wěn)定運(yùn)行,驗(yàn)證了衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的正確性,對(duì)未來我國(guó)空間科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星的構(gòu)型布局設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

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