旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡影響分析

高一丹 葉志彪 黃佳雷 于爽 金旭鑫 何嘉愷 翁藝航

(1上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109) (2上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

星載輻射計(jì)按其結(jié)構(gòu)形式一般分為非旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)和旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì),隨著衛(wèi)星探測(cè)功能的多樣化發(fā)展,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)依托其探測(cè)范圍廣、應(yīng)用場(chǎng)景多等特點(diǎn)在衛(wèi)星領(lǐng)域中使用越來越多。旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)作為衛(wèi)星在軌探測(cè)的有效載荷產(chǎn)品,集大氣、海洋、陸地和環(huán)境觀測(cè)于一體,能夠進(jìn)行全天時(shí)、全天候全球微波輻射信息遙感監(jiān)測(cè),可以獲取風(fēng)場(chǎng)、降水、土壤水分、海冰、海表溫度、積雪、溫度廓線、濕度廓線等相關(guān)信息,具有大范圍、全球化;多要素、全天候;高時(shí)效,高精度等優(yōu)勢(shì)。可為天氣預(yù)測(cè)、暴雨診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及氣候研究等提供有效的數(shù)據(jù)支撐。在氣象探測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、保證航空、航海安全等應(yīng)用領(lǐng)域,具有重大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和軍事效益[1]。

隨著國(guó)家氣象局對(duì)衛(wèi)星在軌探測(cè)精度的要求越來越高,衛(wèi)星在軌運(yùn)行的姿態(tài)穩(wěn)定度也大幅提高。旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)作為衛(wèi)星的主載荷產(chǎn)品,具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活動(dòng)部件關(guān)節(jié)多、在軌通過掃描轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地探測(cè)等特點(diǎn),其在軌掃描轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)極易對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生干擾[2],影響衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定度,嚴(yán)重的甚至?xí)斐尚l(wèi)星在軌傾覆,帶來不可估量的損失[3],旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性對(duì)衛(wèi)星在軌探測(cè)的姿態(tài)穩(wěn)定具有十分重要的作用[4]。因此,需要對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)進(jìn)行動(dòng)平衡設(shè)計(jì)[5],同時(shí)進(jìn)行地面動(dòng)平衡配平或在軌動(dòng)平衡控制,使得旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)掃描轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)不平衡量較小,提高衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定度[6]。

本文介紹了旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)的組成,根據(jù)動(dòng)平衡理論對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)進(jìn)行了動(dòng)平衡特性分析,分析了轉(zhuǎn)動(dòng)體升降、天線收攏展開對(duì)動(dòng)平衡的影響;然后根據(jù)動(dòng)平衡特性分析結(jié)果對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)進(jìn)行了天線展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和動(dòng)平衡試驗(yàn)方法優(yōu)化;最后對(duì)改進(jìn)后旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)組成

本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)主要由星體安裝架、筒體、掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線展開機(jī)構(gòu)、天線反射器、遮光罩等組成。為滿足運(yùn)載火箭整流罩的包絡(luò)要求,衛(wèi)星發(fā)射時(shí),旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)收攏鎖緊安裝于衛(wèi)星頂部。衛(wèi)星發(fā)射入軌后,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)天線及展開機(jī)構(gòu)展開、轉(zhuǎn)動(dòng)體解鎖下降到位,隨后掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)周期性連續(xù)掃描轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)進(jìn)入在軌工作模式,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)收攏鎖緊狀態(tài)、解鎖展開狀態(tài)如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)在軌工作狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)天線反射器對(duì)地面的全方位探測(cè),旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)采用掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體繞著轉(zhuǎn)軸360°周期性連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描的工作方式。其中,轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)量約為125kg,包含筒體、天線展開機(jī)構(gòu)、天線等。圖1中,星體安裝架為旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)安裝底座,安裝在衛(wèi)星上固定不動(dòng);掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)底座安裝在星體安裝架上固定不動(dòng),筒體、天線展開機(jī)構(gòu)、天線等轉(zhuǎn)動(dòng)部分安裝在掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上部的轉(zhuǎn)子法蘭上;遮光罩直接安裝在星體安裝架上固定不動(dòng)。該旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)在軌展開工作時(shí),掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)筒體、天線展開機(jī)構(gòu)、天線等繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)。

旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活動(dòng)部件多,特別是轉(zhuǎn)動(dòng)體升降、天線收攏展開等大質(zhì)量活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性會(huì)帶來相應(yīng)的影響。旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡影響因素多、動(dòng)平衡狀態(tài)控制更加復(fù)雜,需對(duì)其動(dòng)平衡特性及動(dòng)平衡影響進(jìn)行相應(yīng)的研究與分析,以確保其動(dòng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。

圖1 旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)Fig.1 Operational state of rotary space-borne radiometer

2 旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡特性及分析

2.1 動(dòng)平衡理論

動(dòng)平衡配平選擇“雙平面法”,動(dòng)平衡原理示意如圖2所示。在轉(zhuǎn)軸上距離安裝面c處放置力傳感器,設(shè)第一配平面到力傳感器的距離為a;第二配平面到力傳感器的距離為b;安裝面到力傳感器的距離為d;m1、m2分別為第一配平面、第二配平面上等效集中質(zhì)量;r1、r2為質(zhì)量塊的回轉(zhuǎn)半徑;F1、F2分別為質(zhì)量塊m1、m2受到的離心力;Zc為質(zhì)心到安裝面的距離,當(dāng)轉(zhuǎn)子以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),該點(diǎn)受力的向量表達(dá)式如式(1)。

注:圖中G為轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)心,m1gn為質(zhì)量塊m1重力,m2gn為質(zhì)量塊m2重力。圖2 動(dòng)平衡原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of dynamic equilibrium

(1)

式中:gn為重力加速度;F為旋轉(zhuǎn)中心所受干擾力;M為旋轉(zhuǎn)中心所受干擾力矩;r1、r2分別為質(zhì)量塊m1和m2的矢徑。

轉(zhuǎn)化為標(biāo)量表達(dá)式如式(2),其中XY平面平行于配平面,Z軸與轉(zhuǎn)軸重合。已知F及其空間相位角αF,M及其空間相位角αM,求解上、下不平衡量大小和相位m、α,其中α1、α2分別為質(zhì)量塊m1、m2的空間相位角,根據(jù)上下不平衡量計(jì)算結(jié)果,在其反向增加相同質(zhì)量配重,用以消除上下不平衡量。

(2)

為滿足衛(wèi)星對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)提出的動(dòng)平衡指標(biāo)要求,產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了動(dòng)平衡設(shè)計(jì),在旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)上設(shè)計(jì)了兩處平面作為動(dòng)平衡配平面,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡試驗(yàn)配平示意如圖3所示,筒體上平面為第一配平面,筒體底平面為第二配平面。旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)在軌工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)周期為1.7s,因此地面動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)周期設(shè)置為1.7s;在動(dòng)平衡機(jī)上測(cè)得旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)掃描轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)上下兩平面的動(dòng)不平衡量,然后根據(jù)上述配平方法分別在旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)的第一配平面、第二配平面相應(yīng)的角度增加對(duì)應(yīng)質(zhì)量的配重塊,以減小整機(jī)動(dòng)不平衡量,試驗(yàn)參數(shù)見表1,具體試驗(yàn)流程如圖4。

圖3 旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡配平示意圖Fig.3 Schematic diagram of the rotary space-borne radiometer dynamicequilibrium

表1 動(dòng)平衡試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of dynamic balance test

圖4 動(dòng)平衡試驗(yàn)流程圖Fig.4 Flow chart of dynamic balance test

2.2 旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡特性

衛(wèi)星在軌姿態(tài)穩(wěn)定度指標(biāo)要求為0.006(°)/s,為了滿足衛(wèi)星穩(wěn)定度指標(biāo)要求,衛(wèi)星總體對(duì)該旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)的干擾力矩指標(biāo)要求為小于0.2N·m[7]。旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)對(duì)衛(wèi)星的干擾主要來源于其掃描轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的動(dòng)不平衡,轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡為靜不平衡和偶不平衡統(tǒng)稱[8-9],因此衛(wèi)星總體對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)整機(jī)動(dòng)不平衡量指標(biāo)要求如下。

(1)靜不平衡量不大于6kg·mm。

(2)偶不平衡量不大于9000kg·mm2。

為消除地面風(fēng)阻的干擾,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)采取在真空罐內(nèi)進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試,以提高動(dòng)平衡測(cè)試精度。動(dòng)平衡測(cè)試中,先進(jìn)行產(chǎn)品的動(dòng)平衡配平[10],將整機(jī)剩余動(dòng)不平衡量配平至滿足指標(biāo)要求值范圍內(nèi)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)結(jié)構(gòu)形式,配平后分別進(jìn)行產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)體重復(fù)升降、天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開動(dòng)平衡影響測(cè)試,以測(cè)得機(jī)構(gòu)活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)可能引起的產(chǎn)品動(dòng)平衡狀態(tài)變化,考核產(chǎn)品動(dòng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性,測(cè)試旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)最大動(dòng)不平衡量是否滿足衛(wèi)星指標(biāo)要求。旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡性能測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡性能測(cè)試結(jié)果記錄表Table 2 Rotary space-borne radiometer dynamic equilibrium test results

由表2測(cè)試結(jié)果可知:旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)裝配完成后,初始靜、偶不平衡量分別為109.68kg·mm、129323.90kg·mm2,遠(yuǎn)大于衛(wèi)星指標(biāo)要求。經(jīng)過動(dòng)平衡配平后,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)剩余靜、偶不平衡量分別降低為1.48kg·mm、1898.75kg·mm2,滿足指標(biāo)要求。

但是轉(zhuǎn)動(dòng)體升降后,天線展開機(jī)構(gòu)收攏展開后,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)剩余靜、偶不平衡量均出現(xiàn)大幅增長(zhǎng),表明轉(zhuǎn)動(dòng)體重復(fù)升降、天線展開機(jī)構(gòu)收攏展開對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡影響較大,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)不穩(wěn)定,無法滿足衛(wèi)星使用要求。

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)體升降動(dòng)平衡影響分析

旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)裝星前,需將轉(zhuǎn)動(dòng)體抬升8mm后對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行鎖緊固定,以減小衛(wèi)星發(fā)射階段旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)體對(duì)掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。衛(wèi)星入軌后,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)體解鎖并下降8mm。

圖5 單點(diǎn)升降裝置示意圖Fig.5 Single point lifting and lowering device

轉(zhuǎn)動(dòng)體通過單點(diǎn)升降裝置升降8mm時(shí),升降過程中由于無法實(shí)現(xiàn)同步升降,每處提升螺桿提升或下降的高度無法一致,使轉(zhuǎn)動(dòng)體升降過程中發(fā)生部分傾斜,造成轉(zhuǎn)動(dòng)體升降前后重復(fù)定位精度較差,從而造成整機(jī)動(dòng)平衡變化較大。

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)體升降前后的位置一致性,對(duì)升降前后的轉(zhuǎn)動(dòng)體上基準(zhǔn)面進(jìn)行水平測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 轉(zhuǎn)動(dòng)體通過單點(diǎn)升降裝置升降前后水平度測(cè)試Table 3 Rotating body test results afterlifting and lowering by the single point device

由表3可知:轉(zhuǎn)動(dòng)體重復(fù)升降前后,其水平度發(fā)生較大變化,轉(zhuǎn)動(dòng)體升降前后重復(fù)定位精度較差,從而引起旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)發(fā)生較大變化。

2.4 天線展開機(jī)構(gòu)收攏展開動(dòng)平衡影響分析

為滿足運(yùn)載火箭整流罩的包絡(luò)要求,衛(wèi)星發(fā)射時(shí)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)天線收攏鎖緊,衛(wèi)星入軌后,天線解鎖展開。為了保證天線及天線展開機(jī)構(gòu)解鎖展開的可靠性,天線展開機(jī)構(gòu)各鉸鏈設(shè)計(jì)留有安全間隙,天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開后無法完全展開到同一固定位置。天線展開機(jī)構(gòu)展開到位后狀態(tài)如圖6所示。

天線展開機(jī)構(gòu)底部鉸鏈主要由公鉸鏈、母鉸鏈、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和關(guān)節(jié)軸承等部分組成,如圖7所示。其中,公鉸鏈與從動(dòng)桿組件連接,母鉸鏈與機(jī)構(gòu)基準(zhǔn)板連接;關(guān)節(jié)軸承除了能繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)外,還具備其它方向的偏轉(zhuǎn)自由度,同時(shí)關(guān)節(jié)軸承存在一定的軸向安裝間隙,軸向間隙約為0.075～0.425mm,因此公鉸鏈可能在相對(duì)母鉸鏈偏轉(zhuǎn)的同時(shí)發(fā)生軸向移動(dòng),引起天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開到位后重復(fù)精度差。

注:圖中β為天線展開機(jī)構(gòu)展開到位后角度。圖6 天線展開機(jī)構(gòu)展開到位后示意圖Fig.6 Antenna after development

圖7 底部鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of the bottom hinge

通過對(duì)天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開,并對(duì)天線展開機(jī)構(gòu)每次收攏展開到位后角度β進(jìn)行精度測(cè)量,測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開到位β角測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of β angle after repeated deployemnt of antenna mechanism

由表4可知:天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開后,展開到位β角實(shí)測(cè)最大變化為0.035°,天線收攏展開后重復(fù)定位精度波動(dòng)較大。天線反射器質(zhì)量為12.4kg,且距離轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)心距離較遠(yuǎn),通過在三維軟件中模擬該重復(fù)定位精度變化,分析得到該偏差帶來旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡變化量約為靜不平衡2.3kg·mm,偶不平衡量4000kg·mm2。因此,天線展開到位后重復(fù)精度波動(dòng)較大造成了旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)的變化。

3 天線展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)

為了減小底部鉸鏈設(shè)計(jì)間隙、消除關(guān)節(jié)軸承偏轉(zhuǎn)自由度對(duì)展開精度和重復(fù)精度的影響,將天線展開機(jī)構(gòu)底部鉸鏈中的活動(dòng)部件由原來的1個(gè)關(guān)節(jié)軸承改為2個(gè)深溝球軸承,并在不影響高低溫展開可靠性的前提下減小設(shè)計(jì)間隙,軸向間隙減小為0.07～0.1mm,用以保證天線展開機(jī)構(gòu)的展開精度和重復(fù)精度。改進(jìn)后,底部鉸鏈主要由公鉸鏈、母鉸鏈、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、深溝球軸承和調(diào)整墊片等組成,如圖8所示。

因?yàn)閍sinα+bsinβ>csinγ、asinα+csinγ>bsinβ、bsinβ+csinγ>asinα，所以P3P1=2asinα，P1P2=2bsinβ，P2P3=2csinγ三條線段首尾順次相連組成△P1P2P3.

圖8 改進(jìn)后底部鉸鏈組成示意圖Fig.8 Bottom hinge after improved

為驗(yàn)證更改深溝球軸承、減小底部鉸鏈活動(dòng)間隙對(duì)于提高天線展開機(jī)構(gòu)展開精度和重復(fù)精度的有效性,對(duì)天線展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了5次重復(fù)收攏展開,并對(duì)每次收攏展開后天線展開機(jī)構(gòu)展開到位β角進(jìn)行精測(cè)。底部鉸鏈更改后,天線展開機(jī)構(gòu)展開到位角度的實(shí)測(cè)值見表5。

表5 底部鉸鏈更改后天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開到位β角測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of β angle after repeated deployment of antenna after improved

由表5測(cè)試結(jié)果可知:底部鉸鏈關(guān)節(jié)軸承更換為深溝球軸承后,天線展開機(jī)構(gòu)展開到位角度重復(fù)精度Δβ由0.035°提高為0.011°,提高了天線展開機(jī)構(gòu)展開到位后β角的穩(wěn)定性。

3.2 測(cè)試方法改進(jìn)

3.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)體升降方式改進(jìn)

為解決升降不同步使轉(zhuǎn)動(dòng)體傾斜對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡的影響,對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體升降方式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一套同步升降裝置,以消除單點(diǎn)提升裝置升將引起的轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜。轉(zhuǎn)動(dòng)體同步升降方式如圖9所示。通過搖動(dòng)手輪,可以實(shí)現(xiàn)4處U型支撐架的同步升降,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體的同步升降,減小升降不同步對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡的影響。

圖9 同步升降裝置示意圖Fig.9 Consistent lifting and lowering device

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)體升降前后的位置一致性,對(duì)升降前后的轉(zhuǎn)動(dòng)體上基準(zhǔn)面進(jìn)行水平測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 改進(jìn)升降方式后轉(zhuǎn)動(dòng)體升降前后水平度測(cè)試Table 6 Rotating body test results after lifting and lowering by the consistent device

由表6測(cè)試結(jié)果可知:改進(jìn)后,同步升降工裝升降過程中,水平度變化最大為0.015mm,升降過程穩(wěn)定,升降一致性好。

3.2.2 動(dòng)平衡試驗(yàn)方法改進(jìn)

天線展開機(jī)構(gòu)展開到位后示意如圖6所示,天線展開機(jī)構(gòu)展開到位后的夾角理論值為β,夾角β產(chǎn)生變化時(shí),引起其質(zhì)心高度的變化,而天線及天線展開機(jī)構(gòu)質(zhì)量在系統(tǒng)中占比較大且位置較高,其質(zhì)心高度微小變化都會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)天線展開機(jī)構(gòu)收攏展開重復(fù)定位精度為±β1,收攏展開前后β角的最大值與最小值差值Δβ最大能達(dá)到2β1。此時(shí),天線展開機(jī)構(gòu)收攏展開對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡影響相對(duì)較大。

為了減小天線展開機(jī)構(gòu)收攏展開對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)配平后動(dòng)平衡的影響,可在配平前對(duì)天線展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行多次收攏展開,并對(duì)每次天線展開機(jī)構(gòu)展開到位后的夾角進(jìn)行精測(cè),若測(cè)得的展開到位角度不滿足要求,再次進(jìn)行天線展開機(jī)構(gòu)收攏展開,并精測(cè)展開到位角度,直到天線展開機(jī)構(gòu)展開到位后的實(shí)測(cè)夾角為理論值β,并在此夾角下對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)進(jìn)行動(dòng)平衡配平。配平完成后,天線展開機(jī)構(gòu)重復(fù)收攏展開到位的夾角與動(dòng)平衡配平時(shí)的夾角的差值變量Δβ可以減小至β1。因此,可以將天線展開機(jī)構(gòu)收攏展開對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡的影響大幅減小。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證天線展開機(jī)構(gòu)底部鉸鏈設(shè)計(jì)改進(jìn)、轉(zhuǎn)動(dòng)體升降方式改進(jìn)、動(dòng)平衡試驗(yàn)方法改進(jìn)等措施對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡性能提升的效果,對(duì)改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)重新進(jìn)行真空環(huán)境下動(dòng)平衡試驗(yàn),動(dòng)平衡配平完成后測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)體重復(fù)升降、天線重復(fù)收攏展開后旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。動(dòng)平衡試驗(yàn)方案如圖3所示,改進(jìn)后動(dòng)平衡試驗(yàn)流程如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后動(dòng)平衡試驗(yàn)流程圖Fig.10 Flow chart of dynamic equilibrium test

改進(jìn)后旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡性能測(cè)試結(jié)果見表7。

表7 改進(jìn)后旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡性能測(cè)試結(jié)果記錄表Table 7 Rotary space-borne radiometer dynamic equilibrium test results after improved

由表7測(cè)試結(jié)果可知:改進(jìn)后,轉(zhuǎn)動(dòng)體重復(fù)升降、天線重復(fù)收攏展開等活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)后,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡變化較小,最大靜不平衡量為2.89kg·mm,最大偶不平衡量為2752.3kg·mm2,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)穩(wěn)定性大幅提高。

5 結(jié)論

本文對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡特性進(jìn)行了分析,探討了旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)不穩(wěn)定的原因,對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)體升降、天線收攏展開等動(dòng)平衡影響因素進(jìn)行了分析,改進(jìn)了天線展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)動(dòng)體升降方式和動(dòng)平衡試驗(yàn)方法;并對(duì)改進(jìn)后旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,得到以下結(jié)論。

(1)大尺寸、大質(zhì)量的展開機(jī)構(gòu)等活動(dòng)部件重復(fù)定位精度對(duì)旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)穩(wěn)定性具有較大影響。

(2)通過減小展開機(jī)構(gòu)活動(dòng)部件間隙、改進(jìn)動(dòng)平衡測(cè)試方法、減小天線展開到位夾角與動(dòng)平衡配平時(shí)夾角的差值變量Δβ,可以有效提高旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)穩(wěn)定性。

(3)改進(jìn)后,旋轉(zhuǎn)式星載輻射計(jì)動(dòng)平衡狀態(tài)穩(wěn)定,動(dòng)不平衡量滿足衛(wèi)星使用要求,對(duì)整星干擾力矩較小,可以滿足衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定度指標(biāo)要求。