硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證

張曉莉 閆亮 錢志英

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

硬X射線調(diào)制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星是基于資源二號衛(wèi)星平臺的我國首顆大型天文衛(wèi)星,其有效載荷為中科院高能所創(chuàng)新研制的硬X射線調(diào)制望遠鏡,望遠鏡總質(zhì)量達970 kg,安置于衛(wèi)星頂端,是目前資源二號平臺衛(wèi)星中質(zhì)量最大的有效載荷,因此對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的局部承載能力要求更高;6組動量輪集中安裝在動量輪安裝支架,引起動量輪安裝支架的動態(tài)特性改變,對振動環(huán)境下動量輪的動力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生很大影響;為滿足硬X射線調(diào)制望遠鏡的熱控要求而設(shè)計的遮陽板,由于其面積大、高懸臂等安裝特性,導(dǎo)致其剛度低而容易產(chǎn)生頻率耦合及動力學(xué)環(huán)境下的較大變形。

本文結(jié)合上述總體構(gòu)型及有效載荷的特點,針對結(jié)構(gòu)的設(shè)計難點,開展了整星結(jié)構(gòu)主傳力路徑設(shè)計,望遠鏡安裝連接設(shè)計,大面積、高懸臂遮陽板結(jié)構(gòu)設(shè)計,高剛度一體化動量輪安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作,并最終通過了整星力學(xué)仿真分析、地面試驗及在軌飛行試驗的驗證。

1 結(jié)構(gòu)技術(shù)特點

HXMT衛(wèi)星結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其結(jié)構(gòu)功能、性能等方面雖然與資源二號平臺衛(wèi)星基本相同,但是由于總體構(gòu)型及有效載荷的較大差異,使其結(jié)構(gòu)設(shè)計存在以下特點,需要在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)研制過程中進行重點設(shè)計和驗證。

(1)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)需要為有效載荷硬X射線調(diào)制望遠鏡提供良好的主傳力路徑,設(shè)計合理的連接方式,以確保其安裝強度和剛度,從而為有效載荷提供良好的力學(xué)環(huán)境。[1]

(2)動量輪安裝支架的一體化設(shè)計以及與承力筒的安裝連接設(shè)計,均需要充分考慮其在動力學(xué)環(huán)境下的適應(yīng)性,避免頻率耦合和局部連接強度不足。

(3)遮陽板結(jié)構(gòu)的安裝既不能妨礙有效載荷安裝,又要懸臂在星體之外很大面積,因此其連接方式的設(shè)計一方面要保證拆卸方便,另一方面也要保證其剛度、強度。[2]

圖1 整星結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Composition of HXMT structure

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證

2.1 有效載荷安裝及主傳力路徑設(shè)計與驗證

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與望遠鏡的連接接口設(shè)置在載荷艙頂部,要求平臺結(jié)構(gòu)提供40個連接孔及2個定位銷。望遠鏡底座連接接口如圖2所示。

圖2 望遠鏡與平臺結(jié)構(gòu)接口示意圖Fig.2 Interface between telescope and structure

HXMT衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則之一就是為有效載荷提供最直接、簡短的主傳力路徑,確保整星結(jié)構(gòu)的強度和剛度,從而為有效載荷提供良好的力學(xué)環(huán)境。因此,為了更好、更優(yōu)地實現(xiàn)有效載荷硬X射線空間望遠鏡的安裝,在方案論證和設(shè)計階段,載荷艙結(jié)構(gòu)設(shè)計突破資源二號衛(wèi)星平臺以往的金屬構(gòu)架＋箱板式結(jié)構(gòu)構(gòu)型,采用了全新的承力筒＋箱板式的構(gòu)型。為了實現(xiàn)載荷艙承力筒與有效載荷硬X射線空間望遠鏡、服務(wù)艙之間的傳力連續(xù),載荷艙承力筒設(shè)計為倒錐殼結(jié)構(gòu),起到承上啟下的作用。載荷艙承力筒結(jié)構(gòu)如圖3所示。[3]

圖3 載荷艙承力筒示意圖Fig.3 Cylinder of payload module

載荷艙承力筒、服務(wù)艙承力筒和對接段構(gòu)成了HXMT衛(wèi)星的主傳力路徑。在發(fā)射狀態(tài)下,占整星質(zhì)量35%的硬X調(diào)制望遠鏡所產(chǎn)生的載荷均勻、直接地通過主傳力路徑傳遞到星箭連接面,有效避免了單點承受載荷過大而引起的局部加強設(shè)計等問題。

通過MSC/Patran、Nastran有限元分析軟件進行整星力學(xué)仿真,結(jié)果表明:

(1)運載準(zhǔn)靜態(tài)載荷環(huán)境下,對應(yīng)望遠鏡安裝部位的載荷艙承力筒上框最大應(yīng)力139 MPa,安全裕度1.58,蒙皮最大應(yīng)力71.9 MPa,安全裕度10.7,滿足設(shè)計規(guī)范要求。

(2)運載主動段發(fā)射環(huán)境下,對應(yīng)望遠鏡安裝部位的最大響應(yīng)與試驗值比對情況見表1。結(jié)果表明,望遠鏡安裝部位的響應(yīng)特性分析值與試驗值基本吻合。

表1 望遠鏡安裝部位最大響應(yīng)Table 1 Maximum response of the telescope interface

整星振動試驗結(jié)果表明:X向正弦振動試驗中望遠鏡安裝面的響應(yīng)為2.4 gn(驗收級),Y向正弦振動試驗中望遠鏡安裝面的響應(yīng)為2.4gn(下凹至1/3驗收級),Z向正弦振動試驗中望遠鏡安裝面的響應(yīng)為2.1gn(下凹至1/3驗收級),均未超出單機驗收級振動試驗條件,通過整星力學(xué)環(huán)境試驗考核。

2.2 動量輪支架一體化設(shè)計與驗證

與資源二號衛(wèi)星平臺將動量輪分散安裝于服務(wù)艙頂板的方式不同,HXMT衛(wèi)星將6組動量輪集中安裝在服務(wù)艙承力筒內(nèi)部,并通過動量輪安裝支架實現(xiàn)多組動量輪的一體化安裝。因此,動量輪安裝支架的設(shè)計及安裝方式均需要重新進行設(shè)計與驗證。

HXMT衛(wèi)星動量輪安裝支架設(shè)計采用鑄鎂件機加的形式,為了提高動量輪安裝支架與動量輪組合體的整體剛度,在服務(wù)艙承力筒連接中框與動量輪安裝支架之間除了通過安裝座連接之外,還在承力筒上框與動量輪安裝支架之間設(shè)置4根長度可調(diào)整的動量輪支架拉桿[4]。

動量輪安裝支架設(shè)計示意如圖4所示,動量輪安裝支架的連接如圖5所示。

圖4 動量輪安裝支架示意圖Fig.4 Bracket of momentum wheels

圖5 動量輪安裝支架與承力筒的連接Fig.5 Connections between cylinder and bracket of momentum wheels

為獲得動量輪安裝支架及動量輪組合體的動態(tài)響應(yīng)特性,在初樣結(jié)構(gòu)研制階段,設(shè)計并開展了動量輪安裝支架和動量輪組合體的低量級振動試驗。振動試驗結(jié)果如下。

(1)在X向加載時,沿－Y方向直接安裝到動量輪安裝支架上的動量輪響應(yīng)放大較大,針對動量輪組合體的整體輸入,動量輪響應(yīng)放大倍數(shù)為19倍左右(17.2gn),動量輪安裝面的放大倍數(shù)為13.2倍(11.9gn)。

(2)在Y向加載時,沿＋Y和＋Z方向直接安裝到動量輪安裝支架上的動量輪響應(yīng)放大較大,針對動量輪組合體的整體輸入,動量輪響應(yīng)放大倍數(shù)為20.9倍左右(18.8 gn),動量輪安裝面的放大倍數(shù)為6.7倍(6gn)。

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,可以推斷得出結(jié)論:這兩處直接安裝的動量輪及其安裝點的響應(yīng)放大主要是由于動量輪安裝支架上對應(yīng)安裝位置的工字梁截面抗扭轉(zhuǎn)性能較弱而引起。為此,對動量輪安裝支架上對應(yīng)兩個直接安裝的動量輪安裝位置進行抗扭加強設(shè)計:①沿－Y方向直接安裝的動量輪安裝處進行了工字梁截面的翼板寬度漸變設(shè)計;②沿＋Y和＋Z方向直接安裝的動量輪安裝處增加縱向加強斜筋。動量輪安裝支架加強設(shè)計如圖6所示。

圖6 動量輪安裝支架加強設(shè)計Fig.6 Enhanced design for bracket of momentum wheels

整星力學(xué)仿真結(jié)果表明:由于動量輪安裝支架加強設(shè)計僅針對支架自身設(shè)計,因此在整星主頻處的響應(yīng)基本無變化,但在動量輪安裝支架局部頻率處的響應(yīng)量值相對降低5%～20%。整星振動試驗結(jié)果表明:X向正弦振動試驗中,動量輪安裝支架上6個動量輪安裝位置響應(yīng)為4gn;Y向正弦振動試驗中,6個動量輪安裝位置響應(yīng)為6.8 gn;Z向正弦振動試驗中6個動量輪安裝位置響應(yīng)為3gn。均未超出單機驗收級振動試驗條件,順利通過整星力學(xué)環(huán)境試驗考核。

2.3 大面積、高懸臂遮陽板設(shè)計與驗證

HXMT對溫度有特別嚴(yán)格的要求,需要在載荷艙頂部設(shè)計一個用于遮擋陽光、減小有效載荷熱流的遮陽板。遮陽板尺寸為2100 mm×1500 mm(沿高度方向懸臂出星體外1500 mm),為了避免與有效載荷的安裝空間干涉,其與星體結(jié)構(gòu)的連接不能采用連續(xù)支撐的方式。

在方案設(shè)計階段,遮陽板采用輕量化的鋁面板、鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式,連接設(shè)計采用連接角盒＋4組撐桿連接的形式,模態(tài)分析表明:遮陽板基頻27 Hz,與整星橫向基頻完全避開。遮陽板方案設(shè)計如圖7所示。

圖7 遮陽板方案設(shè)計Fig.7 Preliminary design of sun visor

在初樣設(shè)計階段,為了滿足有效載荷視場需求,在遮陽板上方中心600 mm×300 mm范圍內(nèi),需要向星體外凸出至少20 mm。因此在上述方案設(shè)計的基礎(chǔ)上,遮陽板頂部增加了大開口＋鋁合金機加件進行連接。模態(tài)分析結(jié)果表明:遮陽板基頻17 Hz,與整星橫向基頻非常接近,存在頻率耦合后動力學(xué)響應(yīng)異常放大的風(fēng)險。遮陽板初樣階段的原始設(shè)計如圖8所示[5]。

導(dǎo)致遮陽板基頻低的因素有兩個:①遮陽板的邊界支撐條件差。作為2100 mm×1500 mm的薄壁結(jié)構(gòu),除底邊與星體頂板連接外,僅通過4根復(fù)合材料撐桿進行點式支撐。②遮陽板頂部安裝的1.4 kg鋁合金機加件,使其頂部出現(xiàn)了明顯的集中質(zhì)量,從而導(dǎo)致基頻下降約10 Hz。

圖8 遮陽板初樣的原始設(shè)計Fig.8 Critical design of sun visor

遮陽板的響應(yīng)特性與其結(jié)構(gòu)形式、邊界條件和阻尼特性相關(guān)。作為懸臂結(jié)構(gòu),可以采用增加支撐或者提高阻尼的方法來降低其加速度響應(yīng)。由于星上空間限制,增加遮陽板支撐來改善其邊界條件,從而提高其基頻并降低響應(yīng)的方案難于實施;另一方面,提高遮陽板阻尼最有效的措施是進行約束阻尼處理(更換復(fù)合材料所提供的阻尼相對有限),而對于薄壁結(jié)構(gòu)的遮陽板,進行任何的阻尼處理都會增加其自身質(zhì)量,從而導(dǎo)致其基頻的進一步降低[6]。

因此,在遮陽板初樣設(shè)計階段,共考慮了以下3種改進設(shè)計方案,詳見表2。

遮陽板各種設(shè)計方案的模態(tài)分析結(jié)果見表3。分析結(jié)果表明:改進方案3可以將遮陽板本體基頻由17.8 Hz提高到32.5 Hz,與整星橫向基頻完全避開。

振動條件下,遮陽板頂部的位移響應(yīng)見表4。分析結(jié)果表明:改進方案3可以顯著降低遮陽板位移,遮陽板位移響應(yīng)降低到原來的27.6%。

由于遮陽板基頻較低,振動環(huán)境下的變形很容易引起其強度不足而發(fā)生破壞。因此在進行力學(xué)分析時,將振動環(huán)境下遮陽板本體在基頻處的變形作為強制位移,施加到遮陽板上來進行其在振動環(huán)境下的強度校核分析。表5中給出了遮陽板的應(yīng)力及最小安全裕度。分析結(jié)果表明:改進方案3可以有效提高面板的局部失穩(wěn)臨界應(yīng)力,在鑒定級環(huán)境條件下,遮陽板最小安全裕度提高為2.39。

表2 初樣階段遮陽板各種設(shè)計方案Table 2 Multiple design of the sun visor

表3 遮陽板各種設(shè)計方案基頻Table 3 Frequencies and mode of sun visor

表4 遮陽板加速度及位移響應(yīng)Table 4 Response of sun visor

表5 遮陽板應(yīng)力及安全裕度Table 5 Stress and safety margin of sun visor

經(jīng)過上述各項性能比對后,遮陽板設(shè)計采用改進方案3。整星振動試驗響應(yīng)結(jié)果表明:X向正弦振動試驗中遮陽板最大響應(yīng)29gn,Y向正弦振動試驗中遮陽板最大響應(yīng)6.5gn,Z向正弦振動試驗中遮陽板最大響應(yīng)為31.3gn,順利通過整星力學(xué)環(huán)境試驗考核。

3 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計針對有效載荷及總體構(gòu)型特點展開,以滿足有效載荷功能、性能要求為核心,尤其是滿足安裝剛度要求、精度要求、遮陽板設(shè)計要求等。

(1)通過整星主傳力設(shè)計來保證有效載荷的高精度、高剛度要求。充分考慮整星主傳力路徑的簡、短、直接性,保證以較少的結(jié)構(gòu)代價,取得較優(yōu)的結(jié)構(gòu)占比、載干比(載干比＝有效載荷質(zhì)量/(整星質(zhì)量－燃料質(zhì)量))。HXMT衛(wèi)星結(jié)構(gòu)占比僅為10%,整星載干比達39%。

(2)通過剛度解耦來保證大面積、高懸臂遮陽板的性能要求。在關(guān)注連接強度的同時,通過剛度設(shè)計實現(xiàn)其與整星結(jié)構(gòu)的剛度解耦,有效減小其動力學(xué)響應(yīng)及位移變形。

力學(xué)仿真分析、地面試驗及在軌飛行驗證結(jié)果表明:HXMT衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計在剛度、強度方面滿足有效載荷和運載的要求;動量輪安裝一體化設(shè)計有效降低了動量輪安裝處的動力學(xué)響應(yīng);大面積、高懸臂遮陽板設(shè)計成功解決了其與整星剛度耦合的問題。

參考文獻(References)

[1]陳烈民．航天器結(jié)構(gòu)與機構(gòu)[M]．北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2005 Chen Liemin．Spacecarftstructures and mechanisms[M]．Beijing:China Science&Technology Press,2005(in Chinese)

[2]彭成榮．航天器總體設(shè)計[M]．北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2011 Peng Chengrong．Systemdesign for spacecraft[M]．Bei-jing:China Science&Technology Press,2011(in Chinese)

[3]姚俊,滿孝穎,李應(yīng)典,等．衛(wèi)星承力筒的結(jié)構(gòu)特點與應(yīng)用分析[J]．電子機械工程,2010,26(3):24-28 Yao Jun,Man Xiaoying,Li Yingdian,et al．Anaylysis of characteristics and applications of satellite supporting cylinder[J]．Electro-Mechanical Engineering,2010,26(3):24-28(in Chinese)

[4]袁家軍．衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[M]．北京:中國宇航出版社,2004 Yuan Jiajun．Design and analysis of satellite structures[M]．Beijing:China Astronautics Press,2004(in Chinese)

[5]王其政．結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)[M]．北京:中國宇航出版社,1999 Wang Qizheng．Structural coupling dynamic analysis[M]．Beijing:China Astronautics Press,1999(in Chinese)

[6]薛鵬程,李暉,常永樂,等．懸臂邊界下纖維增強復(fù)合薄板固有頻率計算及驗證[J]．航空動力學(xué)報,2016,31(7):1754-1760 Xue Pengcheng,Li Hui,Chang Yongle,et al．Natural frequency calculation and validation of fiber reinforced composite thin plate under cantilever boundary[J]．Journal of Aerospace Power,2016,31(7):1754-1760(in Chinese)