硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星總裝設(shè)計與實現(xiàn)

洪斌 趙二鑫 李昂 張龍 張愛梅 楊生

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星于2017年6月成功發(fā)射,它以我國成熟的資源二號衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ),根據(jù)空間天文衛(wèi)星的特點進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計,應(yīng)用我國20世紀(jì)90年代初創(chuàng)建的直接解調(diào)成像方法建造[1],是實現(xiàn)寬能區(qū)X射線巡天成像和定點觀測的我國首顆X射線天文衛(wèi)星[2]。HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡包括高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡,其對天觀測的任務(wù)特點,對衛(wèi)星軌道、運行時間、觀測模式、衛(wèi)星平臺等都提出了新的需求,也給衛(wèi)星的總裝設(shè)計及實現(xiàn)帶來了新的挑戰(zhàn)。

本文針對HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡的特殊需求,在傳統(tǒng)對地遙感衛(wèi)星總裝設(shè)計的基礎(chǔ)上,研究了衛(wèi)星總裝的特點,提出了適應(yīng)望遠(yuǎn)鏡的總裝設(shè)計方案,可為我國未來X射線望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的總裝設(shè)計提供參考。

1 總裝特點分析

HXMT衛(wèi)星主要由對接段、服務(wù)艙、載荷艙、望遠(yuǎn)鏡、遮陽板等5部分組成,如圖1所示。其中:服務(wù)艙及對接段繼承資源二號衛(wèi)星平臺設(shè)計;載荷艙和遮陽板為新設(shè)計,載荷艙是衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的一部分,承載安裝望遠(yuǎn)鏡和配套電子設(shè)備,遮陽板是根據(jù)望遠(yuǎn)鏡熱控需求專門設(shè)計的一種特殊部件;望遠(yuǎn)鏡為全新設(shè)計的有效載荷,其高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡通過整體結(jié)構(gòu)集成在一起,安裝在載荷艙上。

圖1 HXMT衛(wèi)星組成Fig.1 Composition of HXMT satellite

與傳統(tǒng)采用資源二號衛(wèi)星平臺的對地遙感衛(wèi)星相比,HXMT衛(wèi)星在總裝設(shè)計上具有以下特點。

(1)望遠(yuǎn)鏡具有質(zhì)量大、體積大、探測器數(shù)量多、電連接器分散的特點。18臺高能主探測器的電連接器在整個望遠(yuǎn)鏡的正下方,6臺頂面反符合屏蔽探測器的電連接器在整個望遠(yuǎn)鏡的正上方,與衛(wèi)星本體對接后,電纜需要在望遠(yuǎn)鏡主結(jié)構(gòu)上進(jìn)行總裝,操作困難,風(fēng)險大且周期長。

(2)衛(wèi)星采用對慣性空間定向的觀測模式,衛(wèi)星－Z面始終指向太陽,而中能、低能望遠(yuǎn)鏡有低溫工作要求,為了避免太陽光直射到望遠(yuǎn)鏡上,要減小望遠(yuǎn)鏡的外熱流,因此總裝需要在衛(wèi)星－Z面安裝一塊遮陽板。

(3)高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡通過記錄統(tǒng)計入射X射線光子轉(zhuǎn)換的電子數(shù),完成一次X射線光子實例的探測,雜散光會干擾正常光子計數(shù),給科學(xué)數(shù)據(jù)處理帶來極大困難。遮陽板比望遠(yuǎn)鏡高,總裝需要對遮陽板的上邊緣和側(cè)邊緣進(jìn)行特殊設(shè)計,才能滿足高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡對雜散光的控制要求。

(4)高能望遠(yuǎn)鏡選用復(fù)合晶體NaI(Tl)/CsI(Na)作為探測介質(zhì),中能望遠(yuǎn)鏡選用Si-PIN探測器元件,低能望遠(yuǎn)鏡選用CCD作為探測元件。高性能的探測器在衛(wèi)星全周期總裝過程中,需要由總裝提供良好的環(huán)境條件。

2 總裝設(shè)計與實現(xiàn)

HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡在探測器規(guī)模、數(shù)量、地面總裝環(huán)境、在軌工作環(huán)境等方面都有較高的要求,總裝設(shè)計在繼承其他航天器成功經(jīng)驗的同時,充分分析望遠(yuǎn)鏡的總裝特點,采用“化繁為簡”的思路,設(shè)計了HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡的總裝方案,有效滿足了望遠(yuǎn)鏡的總裝需求。

2.1 多種探測器電接口集成優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

望遠(yuǎn)鏡組成如圖2所示。高能望遠(yuǎn)鏡共有78臺(套)設(shè)備,包含18套高能主探測器、18臺高能準(zhǔn)直器和標(biāo)定探頭、6臺頂面反符合屏蔽探測器、12臺側(cè)面反符合屏蔽探測器、3臺粒子監(jiān)測器和3臺在軌標(biāo)定轉(zhuǎn)接盒。中能、低能望遠(yuǎn)鏡各3套設(shè)備。84臺(套)設(shè)備安裝在一個主支撐結(jié)構(gòu)上,結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高,機械接口清晰明確,但是望遠(yuǎn)鏡的高度集成化,也導(dǎo)致了各探測器電連接器分散在望遠(yuǎn)鏡的各個方向上。經(jīng)統(tǒng)計,整個望遠(yuǎn)鏡的電連接器數(shù)量達(dá)到了93個。

圖2 望遠(yuǎn)鏡組成Fig.2 Composition of telescope

根據(jù)衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計方案,望遠(yuǎn)鏡通過中板法蘭安裝在載荷艙承力筒上,18臺高能主探測器在載荷艙承力筒內(nèi)部,其他探測器在承力筒外部。望遠(yuǎn)鏡安裝后,艙外的探測器電纜將由各個探測器以“星”形向外擴(kuò)展布局到望遠(yuǎn)鏡主支撐結(jié)構(gòu)中板,再沿支撐桿到載荷艙上,承力筒內(nèi)的高能主探測器電纜只能在望遠(yuǎn)鏡下板布局,經(jīng)承力筒開口到艙內(nèi)電子學(xué)設(shè)備。這種設(shè)計給總裝帶來極大的困難:①對于艙外的探測器來說,望遠(yuǎn)鏡安裝后,電纜通過支撐桿,探測器之間的間隙綁扎固定,操作極其不便,各探測器信號容易產(chǎn)生相互干擾,同時電纜對熱控散熱面也有不同程度的遮擋。②對于承力筒內(nèi)的高能主探測器來說,望遠(yuǎn)鏡安裝后,需要到承力筒內(nèi)去安裝插接電纜,兩艙對接后,望遠(yuǎn)鏡基本無法拆裝。③望遠(yuǎn)鏡一次安裝或拆卸時間不少于一周,極大地影響了科研生產(chǎn)效率。

基于此,本文對望遠(yuǎn)鏡分散的電接口設(shè)計狀態(tài)進(jìn)行了集中布局優(yōu)化設(shè)計,將望遠(yuǎn)鏡艙外部分的電連接器集中布局在望遠(yuǎn)鏡主支撐結(jié)構(gòu)上板下表面的4個插頭支架上,承力筒內(nèi)高能主探測器的電連接器通過增加延長電纜布局到承力筒操作口處。同時,有效載荷設(shè)計師將望遠(yuǎn)鏡電接點進(jìn)行了合并處理,總裝設(shè)計師對電連接器布局進(jìn)行了優(yōu)化,望遠(yuǎn)鏡電連接器的數(shù)量由93個減少到45個,數(shù)量減少了51.6%。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡拆裝時,只需要將高能主探測器電纜與電子設(shè)備斷開,經(jīng)載荷艙承力筒操作口放入艙內(nèi)。分別插接或斷開艙外4個電纜支架及中能、低能望遠(yuǎn)鏡上的電連接器,望遠(yuǎn)鏡即可實現(xiàn)安裝或拆卸,總裝時間不超過1天,科研生產(chǎn)效率得到了顯著提高。圖3為望遠(yuǎn)鏡電連接器優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。表1為望遠(yuǎn)鏡電接口優(yōu)化前后電連接器數(shù)量對比。

圖3 望遠(yuǎn)鏡電連接器優(yōu)化設(shè)計結(jié)果Fig.3 Optimization results of telescope electrical connectors

表1 望遠(yuǎn)鏡電連接器優(yōu)化前后對比Table 1 Contrast of telescope electrical connectors before and after optimization

2.2 望遠(yuǎn)鏡外熱流抑制總裝設(shè)計與實現(xiàn)

一般來說,空間天文衛(wèi)星大多通過遮陽裝置避免有效載荷受到太陽光直射,減少外熱流對有效載荷的影響,保證有效載荷的低溫工作環(huán)境?！罢材匪?韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)配置了可展開式遮陽屏保證有效載荷在軌低溫工作要求[3];美國的“錢德拉”(Chandra)衛(wèi)星配置了可展開圓形遮陽板,發(fā)射時收攏保證望遠(yuǎn)鏡不受污染,在軌展開后確保望遠(yuǎn)鏡不受太陽光直射[4];歐洲的“牛頓”(XMM-Newton)衛(wèi)星通過固定式遮陽結(jié)構(gòu)保證望遠(yuǎn)鏡不受太陽光直射[5]。

HXMT衛(wèi)星中能、低能望遠(yuǎn)鏡同樣具有低溫工作要求(中能望遠(yuǎn)鏡－50～－5℃,低能望遠(yuǎn)鏡－80～－42℃),且外熱流變化復(fù)雜。為避免望遠(yuǎn)鏡受到太陽光直射,減小外熱流對望遠(yuǎn)鏡的影響,總裝在衛(wèi)星－Z側(cè)設(shè)置安裝了一塊矩形碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的固定式遮陽板。受整流罩空間限制,遮陽板包絡(luò)尺寸設(shè)計為2100 mm×1500 mm,可確保望遠(yuǎn)鏡在太陽光與衛(wèi)星YOZ面±20°、與衛(wèi)星XOZ面夾角±11°時免受太陽光直射。外表面包覆多層隔熱組件,降低本體輻射,進(jìn)一步保證望遠(yuǎn)鏡低溫工作環(huán)境。同時,矩形遮陽板構(gòu)型方式簡單,易加工,多層隔熱組件實施方便,簡化了生產(chǎn)、總裝測試周期。

2.3 望遠(yuǎn)鏡雜散光消除總裝設(shè)計與實現(xiàn)

望遠(yuǎn)鏡在工作時,除了接收到正常的X射線光子外,還會受到星光、地球或衛(wèi)星本體的反射光等雜散光的干擾。雜散光的來源主要包括外雜光和內(nèi)雜光兩類。外雜光主要是視場外的太陽光經(jīng)遮陽板和望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)形成的雜散光。內(nèi)雜光指望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)和遮陽板的自發(fā)輻射直接或經(jīng)結(jié)構(gòu)散射到望遠(yuǎn)鏡形成的雜散光。雜散光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡視場,會影響正常電信號的產(chǎn)生,嚴(yán)重時將無法處理觀測數(shù)據(jù),造成觀測失敗。為此,消雜光設(shè)計一直是望遠(yuǎn)鏡研究和設(shè)計的重點,中能、低能望遠(yuǎn)鏡通過設(shè)備遮光罩來消除雜散光的影響。同時,衛(wèi)星遮陽板也需要特殊設(shè)計,以抑制雜散光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡視場。

文獻(xiàn)[6]中介紹了光學(xué)系統(tǒng)雜散光的消除方法,提出要特別關(guān)注關(guān)鍵表面和被照射表面,盡量減小它們被照射的面積。文獻(xiàn)[7]中介紹了衛(wèi)星表面物質(zhì)反射光對太陽敏感器的影響,認(rèn)為在敏感器視場內(nèi)盡量選擇反射率低的熱控材料(如黑膜),以顯著降低衛(wèi)星本體反射光對太陽敏感器的影響?；谏鲜鏊悸?本文從抑制外雜光和內(nèi)雜光兩個方面提出遮陽板總裝控制措施。①根據(jù)衛(wèi)星多種飛行姿態(tài)時的太陽最大偏置角,對遮陽板邊緣進(jìn)行切邊處理,減小太陽光在遮陽板邊緣的反射面積,如圖4所示。②采用反射率低的黑色多層隔熱材料對遮陽板邊緣進(jìn)行包覆,消除內(nèi)雜光對望遠(yuǎn)鏡的影響,達(dá)到抑制雜散光的目的。經(jīng)過1年多的飛行驗證,望遠(yuǎn)鏡在軌運行穩(wěn)定,說明遮陽板消雜光控制措施合理有效。

圖4 遮陽板消雜光設(shè)計Fig.4 Elimination design of stray light

2.4 望遠(yuǎn)鏡總裝全周期環(huán)境保障設(shè)計與實現(xiàn)

HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡采用高精度、高靈敏度的科學(xué)探測儀器,尤其是中能望遠(yuǎn)鏡含有CCD器件,環(huán)境靈敏度高,對全周期總裝環(huán)境提出了更高的要求。

(1)中能望遠(yuǎn)鏡相對濕度必須控制在30%～50%。

(2)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜,器件敏感,望遠(yuǎn)鏡表面熱控涂層在交付前均已實施到位,地面長期總裝測試過程中需要采取防護(hù)措施,對望遠(yuǎn)鏡及表面熱控涂層進(jìn)行保護(hù)。

(3)望遠(yuǎn)鏡潔凈度要求高,尤其在運輸時,要求各種氣、液污染物沒有大于20 nm的微小顆粒。

一般來說,航天器控制分系統(tǒng)敏感器或活動部件有較高的地面環(huán)境控制要求,如地球敏感器、太陽翼驅(qū)動機構(gòu)等要求地面存儲濕度控制在30%～50%,總裝大廳環(huán)境潔凈度要求達(dá)到100 000級。在地面總裝過程中,通過設(shè)計除濕加熱回路實現(xiàn)濕度控制。對于環(huán)境要求更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡,總裝從以下3個方面進(jìn)行特殊設(shè)計,以滿足望遠(yuǎn)鏡的需求。

(1)從圖2可以看出,HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡設(shè)備多而密集,熱控要求高,裝配流程復(fù)雜,難以實施地面除濕加熱回路。針對該特點,為中能望遠(yuǎn)鏡設(shè)計了特殊除濕工裝,如圖5所示。該工裝由干燥劑盒和轉(zhuǎn)接板組成,要求每天對干燥劑盒內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測和記錄,每月更換一次干燥劑,有效保證了中能望遠(yuǎn)鏡的濕度要求。

圖5 中能望遠(yuǎn)鏡濕度控制工裝Fig.5 Humidity control tooling of medium energy telescope

(2)針對中能、低能望遠(yuǎn)鏡分別設(shè)計了防污染保護(hù)罩(分為硬罩和軟罩2種)。在地面總裝測試過程中,安裝硬罩保護(hù)設(shè)備及熱控涂層不被磕碰;在運輸過程中,安裝軟罩防止污染物進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部。

(3)針對潔凈度要求高的特點,制定專項運輸方案,在裝箱前、裝箱后、公路運輸、空運等各個環(huán)節(jié)都有嚴(yán)格的控制措施。尤其在空運時,為防止包裝箱打開氣壓平衡口后造成包裝箱內(nèi)環(huán)境不可控的狀態(tài),專門設(shè)計了氣壓平衡口過濾窗,既能滿足氣壓平衡口空氣的流通率,又能達(dá)到望遠(yuǎn)鏡防污染要求。

3 結(jié)束語

本文分析總結(jié)了HXMT衛(wèi)星總裝特點,介紹了適應(yīng)其望遠(yuǎn)鏡的總裝方案,有效滿足了望遠(yuǎn)鏡的總裝技術(shù)需求。對多種探測器的電接口進(jìn)行集成優(yōu)化設(shè)計,電連接器數(shù)量由93個減少到45個,同時總裝時間也從1周減少到1天,總裝效率顯著提高。本文設(shè)置安裝了一種可抑制外熱流的特殊部件——遮陽板。對遮陽板的邊緣進(jìn)行特殊設(shè)計,從外雜光和內(nèi)雜光兩方面提出了抑制措施,有效地抑制了雜散光對望遠(yuǎn)鏡性能的影響。在總裝全周期進(jìn)行了環(huán)境保障設(shè)計及實現(xiàn),結(jié)果表明:總裝設(shè)計方案簡單,可操作性強,能有效滿足HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡的需求。以上HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡的總裝經(jīng)驗,可為未來由多種探測器組成的空間天文衛(wèi)星的總裝設(shè)計及實施提供參考。

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