北京三號B衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計與優(yōu)化

唐斌 馬靈犀 張一鵬 秦江 李騰飛 孟曉亮

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

北京三號A/B衛(wèi)星是中國首次采用了超敏捷、超穩(wěn)定、超高精度的三超平臺技術(shù)、具備復(fù)雜敏捷動中獲取影像能力的新一代遙感衛(wèi)星,是國內(nèi)唯一可實(shí)現(xiàn)任意地面軌跡目標(biāo)成像能力的超敏捷衛(wèi)星,在光學(xué)遙感衛(wèi)星領(lǐng)域具備極強(qiáng)的競爭力。衛(wèi)星采用全方位、任意航跡和可見光、多光譜成像手段,可為全球市場提供大量的高分辨遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品,為國土資源管理、農(nóng)業(yè)調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市綜合應(yīng)用等領(lǐng)域提供更高精度、更高效、更廣泛的應(yīng)用服務(wù)。

本文以北京三號B衛(wèi)星作為設(shè)計對象,針對其任務(wù)特點(diǎn)與需求,在參考和繼承敏捷遙感衛(wèi)星平臺的基礎(chǔ)上[1-4],通過分析三超平臺這一新技術(shù)特點(diǎn),開展了衛(wèi)星的構(gòu)型布局設(shè)計與優(yōu)化[5-7],提出了適用于三超平臺的新一代敏捷遙感衛(wèi)星構(gòu)型方案。經(jīng)衛(wèi)星在軌驗(yàn)證,該構(gòu)型設(shè)計滿足了衛(wèi)星的任務(wù)要求,實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的任務(wù)指標(biāo),可為后續(xù)裝備三超平臺的同類衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計提供參考。

1 任務(wù)需求分析

北京三號A/B衛(wèi)星作為國內(nèi)首次采用三超平臺技術(shù)、具備超高敏捷、超高穩(wěn)定、超高精度獲取影像能力的新一代敏捷遙感衛(wèi)星,對衛(wèi)星的構(gòu)型布局設(shè)計提出了新的需求。

1)高分辨成像的需求

為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高分辨成像的要求,北京三號B衛(wèi)星配置了具有超長焦距的大口徑相機(jī)。其中載荷相機(jī)的自身尺寸會占據(jù)星上大部分空間,這就對衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計、設(shè)備布局、總裝設(shè)計等都提出了較高的要求。

2)相機(jī)高精度指向及快速穩(wěn)定的需求

北京三號B衛(wèi)星配備了三超平臺,通過安裝在相機(jī)與平臺之間的指向隔振機(jī)構(gòu)(VIPPS)進(jìn)行主動控制,實(shí)現(xiàn)相機(jī)的精準(zhǔn)指向與快速穩(wěn)定控制。在進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計時,需要綜合考慮相機(jī)與平臺之間的關(guān)系,從總體最優(yōu)的角度出發(fā),探索一體化設(shè)計方法[8-10],尋求滿足布局空間且控制精度最優(yōu)的構(gòu)型方案。

3)衛(wèi)星超高敏捷機(jī)動能力的需求

為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星超高敏捷成像的能力,一方面需要配備多臺大力矩的控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,CMG);另一方面也要求衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動慣量盡量小。因此在進(jìn)行布局設(shè)計時,應(yīng)充分考慮衛(wèi)星的質(zhì)量特性,盡量使衛(wèi)星設(shè)備的布局均勻、緊湊。

2 構(gòu)型布局設(shè)計方案

2.1 整星構(gòu)型布局設(shè)計

依據(jù)任務(wù)需求,開展了北京三號B衛(wèi)星的整星構(gòu)型布局優(yōu)化設(shè)計。在充分考慮大口徑載荷相機(jī)和指向隔振機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、星上各分系統(tǒng)設(shè)備的安裝布局要求、電源分系統(tǒng)對太陽翼電池陣面積的需求、熱控相關(guān)技術(shù)要求、以及敏捷型遙感衛(wèi)星需要整星轉(zhuǎn)動慣量盡量小、總裝操作應(yīng)方便可靠等相關(guān)要求的前提下,北京三號B衛(wèi)星整體采用了六棱柱型的敏捷衛(wèi)星構(gòu)型形式,如圖1所示。該六棱柱式的衛(wèi)星構(gòu)型具備以下特點(diǎn)。

圖1 北京三號B衛(wèi)星構(gòu)型示意圖

(1)布局緊湊,提高了衛(wèi)星敏捷能力。衛(wèi)星以載荷相機(jī)為中心,平臺設(shè)備圍繞在其四周進(jìn)行布局,能夠很好的縮短設(shè)備與衛(wèi)星軸線之間的距離,從而降低整星的轉(zhuǎn)動慣量,獲得更好的敏捷性能。同時,北京三號B衛(wèi)星星上設(shè)備較多,采用六棱柱的構(gòu)型方式能夠?yàn)樵O(shè)備提供更多的安裝平面,更好地利用星上空間,布局也會更加均勻、緊湊;與多棱柱的構(gòu)型相比,六棱柱構(gòu)型下單板能夠提供更大的設(shè)備安裝面面積,且單板尺寸與衛(wèi)星平臺設(shè)備的單機(jī)尺寸匹配性更好,對設(shè)備布局的限制也會更少。

(2)有利于太陽翼周向布局的設(shè)計。北京三號B衛(wèi)星六棱柱型的構(gòu)型形式,可以方便地對太陽翼進(jìn)行周向布局設(shè)計。針對電源分系統(tǒng)所提出的8.4m2太陽翼電池陣面積要求,該構(gòu)型形式能將其分解為3個2.8m2太陽翼電池陣,并間隔120°分布,從而減小單個太陽翼展開狀態(tài)下的外形尺寸,同時將太陽翼設(shè)計為帶有剛性支撐的結(jié)構(gòu)形式,通過撐桿與厚側(cè)板相連,提高了太陽翼展開時的剛度,消除電池陣轉(zhuǎn)動對成像和控制系統(tǒng)的影響,降低太陽翼柔性對衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定的擾動。此外六棱柱的構(gòu)型形式可實(shí)現(xiàn)3個太陽翼與3個星敏感器的間隔布局,有效地保證了星敏感器的視場需求。

(3)提升了總裝可操作性。北京三號B衛(wèi)星采用了3塊厚側(cè)板與3塊薄側(cè)板間隔布置的設(shè)計。厚側(cè)板作為衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)的一部分,用于布置平臺設(shè)備及太陽翼,其在總裝測試的大部分時間里處于合板狀態(tài);而3塊薄側(cè)板則不布置設(shè)備,在總裝測試階段可以暫時拆下,用工藝側(cè)板代替。因此在進(jìn)行總裝操作時,保證了3個開放的總裝操作窗口,可以方便地從厚側(cè)板兩側(cè)進(jìn)行設(shè)備拆裝、電纜插拔與綁扎以及艙內(nèi)狀態(tài)確認(rèn)等工作,有效地減少了衛(wèi)星開合板次數(shù),提升了總裝操作的便捷性,優(yōu)化了總裝操作流程。

通過分析相機(jī)載荷、指向隔振機(jī)構(gòu)等的安裝要求,北京三號B衛(wèi)星采用了“中心承力筒+箱板”的結(jié)構(gòu)形式。中心承力筒作為主要的承力結(jié)構(gòu),強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好,而箱板結(jié)構(gòu)則為儀器設(shè)備提供了良好的安裝面,兩者相結(jié)合,既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,又為設(shè)備提供了更加靈活、充分的布局空間。

相機(jī)為立式安裝,相機(jī)主承力板僅通過沿圓周間隔分布的3組解鎖器和3組指向隔振機(jī)構(gòu)與中心承力筒上端面直接連接,該安裝方式合理利用了復(fù)合材料中心承力筒的優(yōu)勢,為載荷與指向隔振機(jī)構(gòu)提供了高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性的安裝平面,降低了結(jié)構(gòu)變形對成像質(zhì)量的影響,同時也使載荷與結(jié)構(gòu)的連接形式更加簡潔,避免載荷與平臺產(chǎn)生過多耦合。相機(jī)后光學(xué)的突出部分尺寸體積較大,該布局形式可以使其沉入到承力筒內(nèi)部,充分利用了星內(nèi)布局空間。承力筒的下端框設(shè)計為對接環(huán)的形式,與運(yùn)載直接對接,實(shí)現(xiàn)了載荷與運(yùn)載器之間的傳力,傳力路徑直接有效。

70L大容量貯箱通過支架安裝在承力筒的下半部分,既保證了足夠的安裝強(qiáng)度,又縮短了與衛(wèi)星軸線的安裝距離,滿足大容量貯箱中心軸與相機(jī)光軸盡量重合的要求,降低了衛(wèi)星轉(zhuǎn)動慣量。

此外,衛(wèi)星配備了5個大輸出力矩的CMG組成陀螺群,通過支架安裝在中心承力筒的外壁上,既滿足了五棱錐空間構(gòu)型的要求,又充分利用了衛(wèi)星平臺艙的可用空間,使衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)緊湊,慣量更小。承力筒結(jié)構(gòu)在CMG支架安裝位置均設(shè)置了桁條,保證了其安裝剛度;同時CMG支架與結(jié)構(gòu)連接部分加裝了隔振墊,減小了微振動對姿態(tài)測量精度和衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響。

2.2 載荷、平臺、VIPPS一體化設(shè)計

為了更好地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星超敏捷機(jī)動、超精準(zhǔn)指向、超快速穩(wěn)定及高質(zhì)量成像的設(shè)計目標(biāo),北京三號B衛(wèi)星以高分辨率載荷相機(jī)為中心,以衛(wèi)星總體最優(yōu)為出發(fā)點(diǎn),充分考慮了結(jié)構(gòu)布局、傳力路徑、光機(jī)電熱綜合設(shè)計、敏捷機(jī)動性等因素,對相機(jī)載荷、平臺以及指向隔振機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一體化設(shè)計,如圖2所示。

圖2 載荷平臺一體化設(shè)計示意圖

1)載荷平臺的一體化設(shè)計

為提升圖像定位精度及圖像幾何質(zhì)量,需要統(tǒng)一測量與觀測基準(zhǔn),因此北京三號B衛(wèi)星對星敏感器、測微敏感器與載荷相機(jī)進(jìn)行了一體化的構(gòu)型及安裝設(shè)計。

星敏感器通過支架直接與相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)固連,保證星敏感器與相機(jī)主體具有統(tǒng)一基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。該方式有效地縮短了星敏感器與相機(jī)之間的結(jié)構(gòu)路徑,減少了因坐標(biāo)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的相對位置關(guān)系誤差;同時對其開展機(jī)熱一體化設(shè)計,采用熱膨脹系數(shù)小、熱適應(yīng)強(qiáng)的材料,盡量減小支架的熱變形,將變形對星敏感器與載荷相機(jī)一致性的影響降到最小,保證星敏感器光軸與相機(jī)光軸之間具有相對穩(wěn)定的位置關(guān)系,進(jìn)而獲得更高精度的指向測量數(shù)據(jù)。

測微敏感器也直接安裝在相機(jī)主承力板上,縮短了姿態(tài)測量部件與載荷成像坐標(biāo)系之間的傳遞環(huán)節(jié),提高了姿態(tài)測量精度。

2)載荷、結(jié)構(gòu)、VIPPS的一體化設(shè)計

VIPPS作為三超平臺的核心,控制帶寬高,響應(yīng)快,能夠抵消微振動干擾,具備在衛(wèi)星機(jī)動后短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)載荷光軸穩(wěn)定的能力。VIPPS的精指向調(diào)節(jié)也是以載荷光軸作為測量與控制的基準(zhǔn),因而需要盡量消除VIPPS作用軸線與載荷光軸之間的偏差,以提高控制精度。

為提高與相機(jī)光軸的重合度,指向隔振機(jī)構(gòu)作動器頂支架直接與載荷相機(jī)的主承力板剛性連接,減少了兩者之間的結(jié)構(gòu)路徑,提高了相對穩(wěn)定度。指向隔振機(jī)構(gòu)底板則與剛度較好的中心承力筒結(jié)構(gòu)連接,盡量降低因結(jié)構(gòu)力熱變形對軸線偏差的影響。同時為了保證指向隔振機(jī)構(gòu)的高精度安裝要求,其安裝面與承力筒上端框采用一體化設(shè)計,通過部裝階段組合加工來保證結(jié)構(gòu)安裝面的平面度和平行度,并借助鉆模板配打的方式加工出安裝孔。結(jié)構(gòu)的高精度加工進(jìn)一步降低了因設(shè)備實(shí)際安裝誤差造成的VIPPS作用軸線的偏差。

通過載荷、平臺的一體化設(shè)計,很好地縮小了衛(wèi)星尺寸,降低了整星質(zhì)量,使結(jié)構(gòu)布局更加緊湊,轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)一步降低,提升了衛(wèi)星的敏捷機(jī)動能力。同時考慮VIPPS與載荷、結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計,很好地滿足了VIPPS的高精度安裝要求,實(shí)現(xiàn)控制精度最優(yōu)化,充分發(fā)揮出三超平臺超高精度指向、快速機(jī)動穩(wěn)定成像的技術(shù)優(yōu)勢。

3 上下艙段解耦設(shè)計

裝備三超平臺的北京三號B衛(wèi)星以指向隔振機(jī)構(gòu)為界面,將衛(wèi)星劃分為上、下艙段兩部分。其中上艙段為載荷艙段,主要包括相機(jī)、星敏感器、測微敏感器等一體化設(shè)計形成的組合體,而衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及其余設(shè)備等組成了下艙段,上下艙段通過指向隔振機(jī)構(gòu)連接。為保證指向隔振機(jī)構(gòu)在軌實(shí)現(xiàn)“快穩(wěn)”指向,避免在作動器調(diào)節(jié)過程中發(fā)生上下艙段的碰撞或拉拽等問題,需要對上下艙段進(jìn)行關(guān)鍵尺寸鏈分析及解耦設(shè)計。

3.1 關(guān)鍵尺寸鏈分析

由于指向隔振機(jī)構(gòu)是以在軌微重力環(huán)境條件下開展設(shè)計的,其設(shè)計載荷較低,因此衛(wèi)星在地面實(shí)驗(yàn)、發(fā)射入軌后直到相機(jī)解鎖器起爆解鎖前,相機(jī)主體是通過解鎖機(jī)構(gòu)與平臺結(jié)構(gòu)相連接,避免指向隔振機(jī)構(gòu)承載。為保證安裝時指向隔振機(jī)構(gòu)不會承受載荷重力的作用,需要對關(guān)鍵尺寸鏈進(jìn)行控制,包括指向隔振機(jī)構(gòu)高度、相機(jī)解鎖器高度、相機(jī)解鎖器安裝面到指向隔振機(jī)構(gòu)頂面的高度間距等。

相機(jī)上星前,通過對關(guān)鍵尺寸進(jìn)行校核與計算,得到指向隔振機(jī)構(gòu)上安裝面與其對應(yīng)在相機(jī)主承力板安裝位置之間的間距尺寸,確保該間距滿足作動器行程限制,從而保證指向隔振機(jī)構(gòu)在地面狀態(tài)下既不會承載,也不會使作動桿過量拉伸,指向隔振機(jī)構(gòu)安裝后作動桿處于設(shè)計的零位狀態(tài),不影響在軌初始狀態(tài)及動作行程。

在軌飛行狀態(tài)下,需要對載荷艙段進(jìn)行運(yùn)動干涉分析。其中解鎖器作為上下艙段之間的關(guān)鍵部件,其解鎖后的間隙需要滿足指向隔振機(jī)構(gòu)運(yùn)動行程的要求?？紤]指向隔振機(jī)構(gòu)處于極限行程狀態(tài)下,即相機(jī)處于最大傾斜狀態(tài)時的解鎖器上下部分之間的最小間距,令其中一臺指向隔振機(jī)構(gòu)處于最大正行程+δ,另外兩臺指向隔振機(jī)構(gòu)處于最大負(fù)行程-δ,此時可以獲得在相機(jī)主體處于最大傾斜角下解鎖器上部分的最大偏移量。解鎖后解鎖器上下部分之間的最小間距應(yīng)當(dāng)大于該最大偏移量,保證解鎖后上下艙段間無干涉風(fēng)險。

將隔振機(jī)構(gòu)最大運(yùn)動行程δ以及上下解鎖器解鎖后的間隙作為關(guān)鍵尺寸,進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動干涉分析與校核,很好的確保了指向隔振機(jī)構(gòu)在軌工作時載荷艙段不會發(fā)生碰撞與干涉。

3.2 上下艙段力解耦

為了避免相機(jī)在軌解鎖后,指向隔振機(jī)構(gòu)在其作動范圍內(nèi)作用時,上下艙段之間發(fā)生電纜、熱控多層以及熱管的碰撞、扯拽等耦合問題,產(chǎn)生額外的干擾力矩,從而影響三超平臺的指向精度及快速穩(wěn)定成像的能力,需要對上下艙段進(jìn)行力解耦設(shè)計。具體的控制措施包括:

(1)上下艙段間電纜的力解耦。整理上下艙段之間連接的電纜時,對其在載荷上最后一處綁扎點(diǎn)到平臺上第一處綁扎點(diǎn)之間的電纜束,即電纜運(yùn)動段部分,需要預(yù)留一定長度的余量。余量長度應(yīng)適度,若長度余量過短,可能會存在殘余的附加應(yīng)力;若長度余量過長,則可能會因?yàn)榻壴坏轿坏犬a(chǎn)生鉤掛風(fēng)險。同時,也應(yīng)注意運(yùn)動段電纜的彎曲方向,盡量使電纜處于一個自然的弧度,避免因電纜彎曲產(chǎn)生應(yīng)力。對于成束的電纜,應(yīng)將大束分解成小束,分散鋪設(shè),并按上述要求進(jìn)行解耦處理。此外,還應(yīng)確保電纜活動區(qū)域與周圍設(shè)備之間的安全距離,防止發(fā)生電纜鉤掛或擠壓等問題。

(2)上下艙段間的熱解耦。相機(jī)載荷設(shè)置獨(dú)立的綜合散熱面,與相機(jī)主體進(jìn)行了一體化設(shè)計,散熱面安裝在相機(jī)主結(jié)構(gòu)的支撐臂上,通過支撐臂伸出星體懸于艙外,相機(jī)熱管、散熱面不與星體連接,既滿足了相機(jī)獨(dú)立散熱的要求,又實(shí)現(xiàn)了與衛(wèi)星平臺的解耦。為避免相機(jī)主承力板負(fù)載過多,部分散熱面輔助安裝在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板上,此處為實(shí)現(xiàn)力熱解耦,衛(wèi)星采用柔性熱管的方式來實(shí)現(xiàn)。柔性熱管的力解耦與電纜束解耦的方式類似,但由于柔性熱管不是完全塑性的,在試裝調(diào)整好特定走向后,盡量保證后續(xù)操作中不再改變熱管形狀。

(3)熱控多層間的解耦。對于艙段間的熱控多層,包括相機(jī)與固定式遮光罩、綜合散熱面與結(jié)構(gòu)板、星敏感器與結(jié)構(gòu)板之間的多層等,需要預(yù)留足夠間隙以保證上平臺具有足夠的運(yùn)動空間,避免多層拉拽產(chǎn)生額外力矩。其中星敏感器與結(jié)構(gòu)板之間、相機(jī)遮光罩與前鏡筒之間的熱控多層采用了類似門簾的搭接設(shè)計,既實(shí)現(xiàn)了熱控多層的緊密貼合,又保證了載荷艙段的自由運(yùn)動。

4 設(shè)計驗(yàn)證

1)整星剛度驗(yàn)證

北京三號B衛(wèi)星的構(gòu)型布局及“中心承力筒+箱板”的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)過了整星振動試驗(yàn)的驗(yàn)證,整星橫向基頻為20.8Hz和20.0Hz,縱向基頻為55.4Hz,且衛(wèi)星的力學(xué)性能在振動試驗(yàn)前后變化很小。同時通過對衛(wèi)星進(jìn)行振后精度復(fù)測,所有精測結(jié)果均滿足要求,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境中保持精度的能力。北京三號B衛(wèi)星的成功發(fā)射也證明了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)承受發(fā)射環(huán)境的能力。通過振動試驗(yàn)結(jié)果及衛(wèi)星成功發(fā)射的驗(yàn)證,表明了衛(wèi)星整體剛度良好,構(gòu)型布局設(shè)計滿足要求。

2)小慣量設(shè)計驗(yàn)證

通過衛(wèi)星質(zhì)量特性測試試驗(yàn)與分析計算,北京三號B衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了在軌最大轉(zhuǎn)動慣量小于1100kg·m2的目標(biāo),驗(yàn)證了衛(wèi)星高敏捷、小慣量的設(shè)計。

3)載荷與三超平臺布局驗(yàn)證

經(jīng)過北京三號B衛(wèi)星在軌飛行驗(yàn)證,載荷狀態(tài)工作良好,提供了大量高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。衛(wèi)星在軌敏捷姿態(tài)角速度可達(dá)10(°)/s,是我國第一代敏捷衛(wèi)星的3倍。同時三超平臺大大縮短了在軌光軸快速穩(wěn)定的時間,能夠極短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.005″的穩(wěn)定度。

衛(wèi)星良好的在軌表現(xiàn)也驗(yàn)證了裝備三超平臺衛(wèi)星的構(gòu)型布局合理可靠,上下艙段解耦正常,充分發(fā)揮了三超平臺超高精度、超穩(wěn)定、超敏捷的優(yōu)勢。

4)總裝設(shè)計驗(yàn)證

北京三號B衛(wèi)星經(jīng)過了整星電測、大型試驗(yàn)、發(fā)射場等多階段的總裝工作,未發(fā)生操作困難等問題。其中三塊薄側(cè)板能夠處于常開板狀態(tài),提升了衛(wèi)星總裝操作的便捷性,有效減少了開合板次數(shù)。通過整星AIT全過程驗(yàn)證,證明了衛(wèi)星構(gòu)型布局具備良好的總裝可操作性。

5 結(jié)束語

本文圍繞北京三號B衛(wèi)星的任務(wù)需求,為充分發(fā)揮三超平臺的技術(shù)優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星超敏捷機(jī)動、高精度光軸指向及快速穩(wěn)定的能力,保證高分辨率的成像質(zhì)量,開展了整星構(gòu)型布局設(shè)計與優(yōu)化。在滿足構(gòu)型布局設(shè)計基本原則的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了小慣量布局的優(yōu)化設(shè)計,開展了載荷、平臺、指向隔振機(jī)構(gòu)的一體化設(shè)計,并對上下艙段進(jìn)行了解耦分析,設(shè)計結(jié)果滿足衛(wèi)星總體與各分系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計要求,保障了衛(wèi)星在軌成像性能,也為后續(xù)裝備三超平臺的衛(wèi)星構(gòu)型布局相關(guān)設(shè)計提供參考與借鑒。