高軌衛(wèi)星機(jī)熱一體化星敏感器支架設(shè)計(jì)

王志國(guó) 張宗華 陳雙全 茅敏

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

星敏感器在航天器姿態(tài)測(cè)量和控制系統(tǒng)中起著重要的作用，是最精密的姿態(tài)測(cè)量部件[1]。星敏感器通過(guò)測(cè)量恒星在星敏感器坐標(biāo)系下的單位矢量，經(jīng)過(guò)星圖識(shí)別，尋找觀測(cè)星在導(dǎo)航星庫(kù)中的對(duì)應(yīng)匹配，最后根據(jù)觀測(cè)矢量與匹配星對(duì)的方向矢量計(jì)算姿態(tài)[2]。隨著高分辨率衛(wèi)星對(duì)星敏感器指向精度的需求越來(lái)越高，星敏感器的指向精度要求達(dá)到角秒量級(jí)[3-4]。高軌高分辨率成像衛(wèi)星結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)圖像定位與配準(zhǔn)系統(tǒng)有較大的影響[5]，為提高衛(wèi)星定姿和圖像導(dǎo)航配準(zhǔn)精度，通常將多臺(tái)星敏感器按照特定角度安裝在星敏感器支架上，以控制星敏感器由于在軌溫度變化引起的熱變形[6]。國(guó)外高精度高分辨率航天器普遍采用多臺(tái)星敏感器安裝于同一支架上，然后再將星敏感器及支架組合體安裝于有效載荷光學(xué)基板或主體框架上的設(shè)計(jì)思想。

以往常規(guī)支架設(shè)計(jì)一般要求具有輕量化、高剛度、良好的電導(dǎo)通及傳熱特性，同時(shí)具有足夠的強(qiáng)度，因此往往采用輕質(zhì)鋁合金或者鎂合金材料整體機(jī)加工而成。航天器在軌運(yùn)行時(shí)，這些安裝支架處于反復(fù)交變的惡劣熱環(huán)境中，由于金屬材料的高熱膨脹率將導(dǎo)致其熱變形極大，星敏感器指向會(huì)發(fā)生很大變化，最終導(dǎo)致航天器定姿精度差，拍攝圖像模糊，航天器功能降低，甚至喪失。

文章針對(duì)某高軌衛(wèi)星對(duì)角秒級(jí)星敏感器支架的研制需求，研究了一種高剛度高精度微變形機(jī)熱一體化星敏感器安裝支架。通過(guò)采用低變形設(shè)計(jì)與變形隔離相結(jié)合的技術(shù)手段，完成了高剛度高精度微變形星敏感器支架設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足在軌熱變形小于10″，峰峰值小于2.5″的指標(biāo)要求，為某高軌衛(wèi)星高精度圖像定位提供了技術(shù)保障。

1 應(yīng)用背景

為減少誤差環(huán)節(jié)，高精度遙感衛(wèi)星的星敏感器都直接安裝在光學(xué)相機(jī)的主體框架上，這樣光學(xué)載荷視軸將以星敏感器指向作為基準(zhǔn)進(jìn)行在軌標(biāo)定，提高圖像配準(zhǔn)精度。根據(jù)某衛(wèi)星的高精度姿態(tài)確定方案的需要，需要兩臺(tái)星敏感器同時(shí)工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以提高姿態(tài)確定精度，因此姿軌控分系統(tǒng)配置了具有3個(gè)頭部的高精度分體式星敏感器，如圖1所示。

圖1 星敏感器及支架安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of star sensor and bracket

星敏感器頭部在整星安裝時(shí)需要保證以其光軸為中心軸、半錐角30°的圓錐視場(chǎng)內(nèi)無(wú)遮擋物。星敏感器布局時(shí)，要考慮避免太陽(yáng)、地球、月亮以及太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的反射光對(duì)星敏感器的影響，為保證2臺(tái)星敏感器數(shù)據(jù)融合使用以減小光軸方向的精度誤差對(duì)姿態(tài)確定影響，需要盡量保證3臺(tái)星敏感器間的夾角盡量大。

Ob-XbYbZb為星敏感器支架參考坐標(biāo)系(即基準(zhǔn)系)，Oi-XiYiZi為星敏感器自身坐標(biāo)系，衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob-XbYbZb繞Xb軸轉(zhuǎn)-90°，再繞Yb軸轉(zhuǎn)29°得到星敏感器1坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1；衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob-XbYbZb繞Zb軸轉(zhuǎn)-71°，再繞Yb軸轉(zhuǎn)60°得到星敏感器2坐標(biāo)系O2-X2Y2Z2；衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob-XbYbZb繞Zb軸轉(zhuǎn)109°，再繞Yb軸轉(zhuǎn)-120°得到星敏感器3坐標(biāo)系O3-X3Y3Z3。3臺(tái)星敏感器的光軸指向空間關(guān)系如圖2所示。

圖2 3臺(tái)星敏感器光軸指向示意圖Fig.2 Optical axis pointing schematic diagram of three star sensors

2 星敏感器支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

星敏感器支架方案由薄壁殼體結(jié)構(gòu)、安裝腿組件、星敏感器安裝板、熱量收集板和熱管等組成，其包絡(luò)尺寸為ObXb方向427 mm，ObYb方向561 mm，ObZb方向576 mm，結(jié)構(gòu)質(zhì)量約8.7 kg。星敏感器支架設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 星敏感器支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Structural design of star sensor bracket

為提高星敏感器支架的剛度，薄壁殼體結(jié)構(gòu)、安裝腿組件采用高比剛度的M55J碳纖維復(fù)合材料制造；為滿(mǎn)足星敏感器的安裝界面要求，星敏感器安裝板采用鋁合金材料6061制造，這樣與星敏感器結(jié)構(gòu)殼體底面熱膨脹特性基本一致，實(shí)現(xiàn)熱變形協(xié)調(diào)；為保證星敏感器在軌工作時(shí)(20±3) ℃的工作環(huán)境，使用充氨熱管連接在安裝板和熱量收集板之間，連接處采用柔性連接裝置，達(dá)到傳熱和變形隔離的雙重目的?？紤]到衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，熱量收集板溫度達(dá)到-30 ℃左右，因此該零件采用高導(dǎo)熱低膨脹的鋁基碳化硅制造，這樣既能夠降低熱變形又提升了傳熱能力。

根據(jù)星敏感器布局情況，星敏感器安裝面1使用熱管1，星敏感器安裝面2、3共用熱管2，為提高熱管的工藝性，選擇平面彎曲形式，同時(shí)為減小熱管對(duì)星敏感器安裝面的拉扯效應(yīng)，熱管均布置在星敏感器安裝面中心線上，熱管與安裝板采用柔性碟簧+螺釘?shù)倪B接形式，如圖4所示。

圖4 星敏感器安裝板傳熱設(shè)計(jì)Fig.4 Thermal transfer design of star sensor mounting plate

3 力學(xué)分析及驗(yàn)證

3.1 力學(xué)分析

衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，星敏感器支架要承受復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，星敏感器支架與星敏感器組合體的模態(tài)特性直接決定星敏感器安裝面的動(dòng)力學(xué)性能。為保證星敏感器安裝面有較好的力學(xué)界面，一般要求星敏感器支架與星敏感器組合體的一階固有頻率大于100 Hz。根據(jù)星敏感器支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用MSC.Patran&Nastran平臺(tái)建立星敏感器支架與星敏感器組合體有限元模型，進(jìn)行整體模態(tài)分析，經(jīng)分析，一階頻率為172.7 Hz，如圖5、圖6所示。

圖6 星敏感器支架組合體一階模態(tài)振型(X向彎曲)Fig.6 First order modal pattern of star sensors and bracket assembly

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

模態(tài)試驗(yàn)主要是獲得星敏感器支架在滿(mǎn)載狀態(tài)下的模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼和固有振型，驗(yàn)證星敏感器支架主模態(tài)頻率是否滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。試驗(yàn)采用錘擊法進(jìn)行，試驗(yàn)表明(表1)，星敏感器支架與3臺(tái)星敏感器組合件的一階頻率為178.4 Hz，與分析結(jié)果基本一致，如圖7所示。

表1 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Modal test results Hz

將星敏感器支架和3臺(tái)星敏感器組合體安裝于衛(wèi)星上，在整星狀態(tài)下，進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向鑒定級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)(5～100 Hz)。由于組合體整體頻率遠(yuǎn)高于100 Hz，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，星敏感器安裝面X、Y、Z三個(gè)方向振動(dòng)響應(yīng)最大值分別為4.61gn、3.85gn、3.03gn，遠(yuǎn)小于星敏感器允許的振動(dòng)量級(jí)包絡(luò)線，安裝界面良好的振動(dòng)環(huán)境有效保護(hù)了星敏感器光學(xué)器件。振動(dòng)曲線如圖8(對(duì)數(shù)坐標(biāo))所示。

圖7 星敏感器支架模態(tài)振型Fig.7 Modal vibration of star sensor bracket

圖8 星敏感器安裝面振動(dòng)試驗(yàn)曲線Fig.8 Vibration test curve of star sensor mounting suface

4 熱變形分析及驗(yàn)證

4.1 歐拉角定義

通過(guò)歐拉角“3-1-2”順序旋轉(zhuǎn)將不同坐標(biāo)系聯(lián)系起來(lái)，OX0Y0Z0為變形前基準(zhǔn)系，OXYZ為變形后坐標(biāo)系，于是坐標(biāo)系OX0Y0Z0和OXYZ之間的坐標(biāo)變換關(guān)系即為[3]

(1)

(2)

當(dāng)歐拉角ψ,φ,θ均為小量時(shí)，則上述矩陣的小參量式為

(3)

式中：ψ為偏航角；θ為俯仰角；φ為滾動(dòng)角。

變形后坐標(biāo)系OXYZ在變形前基準(zhǔn)坐標(biāo)系OX0Y0Z0中的方向余弦矩陣為

(5)

歐拉角和方向余弦陣元素之間的關(guān)系有

(6)

4.2 熱變形分析

4.2.1 溫度場(chǎng)施加方法

采用徑向基函數(shù)插值方法[7-8]，對(duì)空間四變?cè)y溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行映射,徑向基函數(shù)在四維空間上插值計(jì)算具有簡(jiǎn)單、高效、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。

插值的大致流程：通過(guò)計(jì)算目標(biāo)場(chǎng)點(diǎn)閾值確定的球內(nèi)的源場(chǎng)點(diǎn)，提取對(duì)目標(biāo)場(chǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)值產(chǎn)生貢獻(xiàn)的源場(chǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)值，根據(jù)距離權(quán)值，分別計(jì)算球內(nèi)源場(chǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)值對(duì)目標(biāo)場(chǎng)點(diǎn)值的貢獻(xiàn)，最后獲取目標(biāo)場(chǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)值。

星敏感器支架溫度場(chǎng)映射結(jié)果幾乎和溫度源場(chǎng)一致，具體如圖9所示。

圖9 極端工況下星敏感器支架溫度場(chǎng)分布Fig.9 Temperature field of star sensor bracket under extreme conditions

4.2.2 分析結(jié)果

根據(jù)4.1節(jié)熱變形的角度定義，分別計(jì)算衛(wèi)星在軌極端工況下春分、夏至的星敏感器安裝面的歐拉角變化量，同時(shí)計(jì)算變化量的峰峰值，每個(gè)工況均分析一天變化情況，每隔2 h計(jì)算一次，星敏感器安裝面指向最大變化量如表2所示，最大變化量與最小變化量的差值(峰峰值)如表3所示。計(jì)算結(jié)果表明，星敏安裝面指向最大變化量為7.03″，指向峰峰值為1.81″。熱變形云圖如圖10所示。

表2 星敏感器安裝面最大變化量Table 2 Maximum deformation of star senor mounting surface (″)

表3 星敏感器安裝面變化峰峰值Table 3 Peak to peak value of star senor mounting surface (″)

圖10 星敏感器支架的熱變形云圖Fig.10 Thermal deformation diagram of star sensor bracket

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在大氣環(huán)境下，通過(guò)粘貼加熱片和流體回路冷卻的方式對(duì)星敏感器支架進(jìn)行溫度控制，模擬星敏感器支架的溫度分布，通過(guò)光電自準(zhǔn)直儀對(duì)星敏感器支架熱變形引起的星敏感器安裝面指向變化進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證星敏感器支架設(shè)計(jì)的合理性。

星敏感器模擬件采用等剛度鈦合金金屬板制造，在星敏感器模擬件中心位置粘貼反射棱鏡，反射棱鏡的坐標(biāo)系與星敏感器安裝面坐標(biāo)系保持一致。采用6臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀(編號(hào)1#～6#)進(jìn)行測(cè)量，一臺(tái)光電自準(zhǔn)值儀同時(shí)監(jiān)測(cè)一個(gè)鏡面兩個(gè)方向的變化。光學(xué)自準(zhǔn)直儀是將角度測(cè)量轉(zhuǎn)換為線性測(cè)量的一種計(jì)量?jī)x器，由于其測(cè)量分辨率和準(zhǔn)確度高，故廣泛用于小角度測(cè)量、導(dǎo)軌的平直度測(cè)量等方面[9]。光電自準(zhǔn)值儀將近似平行光垂直投射到棱鏡鏡面上，利用反射像相對(duì)初始位置的偏移位移量d和物鏡焦距f，便可計(jì)算出棱鏡鏡面的傾斜角度[10]。熱變形試驗(yàn)測(cè)量方案見(jiàn)圖11所示。

試驗(yàn)表明，星敏感器安裝面最大變化量為6.41″，變化峰峰值1.58″，量值上與分析結(jié)果基本一致，春分、夏至工況下熱變形試驗(yàn)結(jié)果如表4、5所示。

表5 星敏感器安裝面變化峰峰值Table 5 Peak to peak value of star senor mounting surface (″)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某高軌衛(wèi)星對(duì)角秒級(jí)星敏感器支架的研制需求，研制了一種高剛度高精度微變形機(jī)熱一體化星敏感器安裝支架。該支架通過(guò)熱管實(shí)現(xiàn)星敏感器散熱，同時(shí)熱管與其它結(jié)構(gòu)件采用柔性裝置連接，從而實(shí)現(xiàn)熱變形隔離；支架中熱量收集板采用新型鋁基碳化硅復(fù)合材料制備而成，既提高了傳熱性能又降低了其熱變形對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)的影響；支架主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料制備，這樣確保了星敏感器支架具有較大的比剛度。試驗(yàn)表明：星敏感器支架與星敏感器組合體的一階固有頻率為178.4 Hz，星敏感器安裝面動(dòng)力學(xué)環(huán)境良好，同時(shí)在軌春分、夏至極端工況下，星敏感器安裝面最大變化量為6.41″，峰值為1.58″，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星在軌姿態(tài)確定精度優(yōu)于2.8″,滿(mǎn)足了衛(wèi)星高精度圖像定位需求。