激光雷達(dá)載荷在整星AIT中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制

袁金如 董長(zhǎng)哲 張揚(yáng) 石新宇 張娟 袁佳晶 陳菡

(1 上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)(2 上海衛(wèi)星裝備研究所,上海 200240)

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星裝載大氣探測(cè)激光雷達(dá)等多類(lèi)有效載荷,通過(guò)主被動(dòng)手段結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣細(xì)顆粒物、溫室氣體、云和氣溶膠等大氣環(huán)境要素進(jìn)行全天時(shí)綜合監(jiān)測(cè)[1]。大氣探測(cè)激光雷達(dá)(ACDL)采用單波束三波長(zhǎng)激光雷達(dá)同步探測(cè)全球氣溶膠垂直廓線信息、二氧化碳(CO2)柱線濃度。ACDL以主動(dòng)激光作為工作介質(zhì),產(chǎn)品使用特性特殊,對(duì)整星AIT過(guò)程各環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)控制提出了很高的要求。

星載激光雷達(dá)具備集中能量主動(dòng)發(fā)射、全天時(shí)連續(xù)工作、大氣垂直廓線精細(xì)觀測(cè)等能力,可實(shí)現(xiàn)全球冰層地形、氣溶膠和云垂直分布、風(fēng)場(chǎng)廓線探測(cè)及碳循環(huán)與溫室氣體效應(yīng)研究[2-4]。國(guó)外已經(jīng)在NASA首次激光雷達(dá)空間技術(shù)試驗(yàn)(LITE)[5]、冰、云和陸地高程衛(wèi)星(ICESAT)的地球激光測(cè)高系統(tǒng)(GLAS)[6]、云-氣溶膠激光雷達(dá)與紅外探路者衛(wèi)星(CALIPSO)的雙波長(zhǎng)正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP)[7]、歐洲航天局風(fēng)神衛(wèi)星(ADM-Aeolus)的阿拉丁(ALADIN)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)[8]等工程項(xiàng)目及“灰背隼”(MERLIN)[9]、歐洲溫室氣體主動(dòng)探測(cè)衛(wèi)星(ASCOPE)[10]、美國(guó)二氧化碳濃度主動(dòng)探測(cè)衛(wèi)星(ASCENDS)[11]預(yù)研任務(wù)中應(yīng)用。國(guó)內(nèi)空間激光雷達(dá)主要應(yīng)用在測(cè)繪和環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域,包括嫦娥一號(hào)[12]、資源三號(hào)[13]、高分七號(hào)[14-16]、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星[17]等工程,這些文獻(xiàn)描述了星載激光雷達(dá)系統(tǒng)高精度機(jī)熱保證、測(cè)試試驗(yàn)需求及工程驗(yàn)證情況。文獻(xiàn)[18-21]介紹了激光雷達(dá)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備激光器的發(fā)射光束質(zhì)量、器件損失防護(hù)、使用安全等相關(guān)研究及標(biāo)準(zhǔn)情況。

1 ACDL工作特性及整星AIT特點(diǎn)分析

1.1 ACDL工作原理及組成

ACDL通過(guò)監(jiān)測(cè)激光在氣溶膠、云或地面的回波信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境要素探測(cè)反演。根據(jù)分析,發(fā)射激光波長(zhǎng)、能量、重復(fù)頻率等不確定性對(duì)探測(cè)精度均具有影響[17]。ACDL由光機(jī)頭部、功放驅(qū)動(dòng)箱、溫控箱、配電器等組成。其中光機(jī)頭部包括光學(xué)基板、激光功率放大器、望遠(yuǎn)鏡及遮光罩、主承力框架、散熱板熱控組件等。

1.2 ACDL特點(diǎn)及工作特性

ACDL具有質(zhì)量體積包絡(luò)大,光機(jī)頭部激光器功耗集中熱流密度大,指向精度要求高,激光輻射能量高,局部多余物敏感等特點(diǎn),具體表現(xiàn)如下。

(1)ACDL光機(jī)頭部重750kg,安裝面達(dá)1930mm×2350mm,350W熱耗中80%集中在激光功率放大器的局部激光晶體內(nèi),其對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)安裝承載和散熱要求高。

(2)溫度梯度均勻性差引起的熱變形對(duì)激光雷達(dá)的發(fā)射激光能量、波長(zhǎng)等指標(biāo)影響大,可能導(dǎo)致光束質(zhì)量變壞,功率激光放大器等核心部件對(duì)衛(wèi)星溫控要求高。

(3)衛(wèi)星指向不準(zhǔn)確導(dǎo)致的沿軌多普勒效應(yīng),強(qiáng)吸收波長(zhǎng)(on-line)和弱吸收波長(zhǎng)(off-line)足印不重合、激光路徑不確定等會(huì)引起全球CO2柱線濃度測(cè)量誤差[22-24],其對(duì)衛(wèi)星指向確定精度要求高。

以上是8極電機(jī)定子沖片6拼(重疊數(shù)為2，圓周共12條拼縫)產(chǎn)生軸電流的機(jī)理。如果把扇形片拼數(shù)改為8拼(重疊數(shù)為2，圓周共16條拼縫)，此時(shí)磁通路徑示意圖則如圖3所示。

(4)ACDL單脈沖能量分別達(dá)150mJ@532nm、110mJ@1064nm和75mJ@1572nm,重復(fù)頻率為20Hz(雙脈沖),按照GB 7247.1—2012的安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)屬于4類(lèi)激光產(chǎn)品,可對(duì)人員等造成嚴(yán)重傷害[18],其對(duì)輻射損傷防護(hù)具有特殊要求。

(5)ACDL發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束反射鏡表面對(duì)灰塵等污染敏感,能量聚集會(huì)導(dǎo)致光學(xué)鍍膜損傷從而致使光學(xué)系統(tǒng)失效[19-20],其對(duì)多余物防控要求高。

(6)ACDL工作時(shí)電壓及溫度調(diào)控規(guī)定嚴(yán)格,其對(duì)衛(wèi)星加斷電時(shí)序要求高。

1.3 整星AIT特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)管控需求分析

由于ACDL具有以上典型特性,其在整星AIT過(guò)程具有以下顯著特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)管控需求。

(1)ACDL頭部集中質(zhì)量大、體積包絡(luò)大、安裝跨度大,安裝精度要求高,安裝連接點(diǎn)密集,安裝面周邊突出物較多,AIT過(guò)程拆裝較為頻繁,其裝星調(diào)平、卸載、引導(dǎo)、復(fù)位及防護(hù)要求高,對(duì)頭部裝拆過(guò)程需進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制。

(2)ACDL工作時(shí)頭部激光功率放大器集中熱耗大熱流密度高,工作面溫度水平和均勻性要求嚴(yán)格,AIT過(guò)程中激光雷達(dá)開(kāi)機(jī)測(cè)試時(shí)地面水冷輔助散熱、精密溫控和星上加斷電時(shí)序要求高,對(duì)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)及工作等測(cè)試過(guò)程需進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制。

(3)ACDL光軸對(duì)衛(wèi)星指向確定度要求高,AIT過(guò)程中力學(xué)試驗(yàn)、熱試驗(yàn)前后需對(duì)其光軸精測(cè),確保衛(wèi)星主動(dòng)段和在軌環(huán)境時(shí)光軸穩(wěn)定,對(duì)光軸指向監(jiān)測(cè)測(cè)試過(guò)程需進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制。

(4)ACDL工作時(shí)發(fā)射高頻高功率激光,對(duì)人眼、敏感光學(xué)儀器等具有很高危害性,AIT過(guò)程中人員、衛(wèi)星和廠房安全防護(hù)要求高,一般配備獨(dú)立測(cè)試廠房,對(duì)激光開(kāi)機(jī)工作過(guò)程需進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制。

(5)ACDL工作時(shí)發(fā)射鏡面能量密度較為均勻,灰塵等污染會(huì)使鏡面能量顯著聚集繼而導(dǎo)致光學(xué)鍍膜損傷,AIT全過(guò)程中發(fā)射望遠(yuǎn)鏡等外露光學(xué)部件潔凈度等防污染要求高,對(duì)衛(wèi)星地面防污染過(guò)程需進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制。

2 關(guān)鍵使用特性及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析

2.1 關(guān)鍵使用特性分析

產(chǎn)品使用特性分析是整星AIT過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制的前提,其包括產(chǎn)品自身特性和產(chǎn)品間接口關(guān)系特性,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注由于使用不當(dāng)會(huì)造成產(chǎn)品故障或存在安全性風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵使用特性?；谏鲜鍪崂淼腁CDL典型特點(diǎn)及工作特性,開(kāi)展整星AIT階段總裝集成、測(cè)試試驗(yàn)、射前設(shè)置等典型環(huán)節(jié)ACDL關(guān)鍵使用特性分析,主要涉及大體積大質(zhì)量單機(jī)裝配特性、大功耗集中熱流傳輸排散及精密溫控特性、激光輻射安全防護(hù)特性、長(zhǎng)鏈路光軸指向穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)特性、污染敏感產(chǎn)品多余物防護(hù)特性、單機(jī)加斷電嚴(yán)格時(shí)序特性等。表1為ACDL關(guān)鍵使用特性統(tǒng)計(jì)表。

表1 ACDL關(guān)鍵使用特性Table 1 Key using characteristic of ACDL

2.2 AIT風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

基于ACDL關(guān)鍵使用特性,識(shí)別出整星AIT全過(guò)程各環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目,包括大體積大質(zhì)量光機(jī)頭部裝星帶來(lái)的安裝面或星體單機(jī)磕碰,安裝腳受力不均勻和平臺(tái)不可恢復(fù)性變形;激光功放等大功耗集中熱流排散地面條件不匹配導(dǎo)致的激光器溫度過(guò)高或溫度下降過(guò)快;高功率出射激光輻射導(dǎo)致的人員、設(shè)備傷害;發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡面污染導(dǎo)致的激光光束質(zhì)量下降或鏡面鍍膜損傷;以及未按程序要求執(zhí)行加斷電操作導(dǎo)致的ACDL無(wú)法工作或器件損傷等。表2為ACDL在整星AIT過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目清單。

表2 ACDL在整星AIT過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目清單Table 2 Key risk indexes of ACDL in satellite AIT process

3 風(fēng)險(xiǎn)控制措施及效果

本部分針對(duì)基于ACDL關(guān)鍵使用特性識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目,按整星總裝集成、測(cè)試試驗(yàn)及射前設(shè)置三個(gè)階段描述相關(guān)控制措施及工程實(shí)踐情況。

3.1 總裝集成階段

總裝集成階段的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目是大體積大質(zhì)量頭部的裝星特性。

針對(duì)ACDL頭部裝星時(shí)與星體設(shè)備磕碰風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)引導(dǎo)銷(xiāo)粗定位,將頭部晃動(dòng)限定在安全范圍內(nèi)。針對(duì)頭部安裝精度調(diào)整難問(wèn)題,設(shè)計(jì)裝星定位銷(xiāo),通過(guò)配打銷(xiāo)孔實(shí)現(xiàn)精確復(fù)位,并確保安裝腳受力均勻。為實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)孔配打時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)裝配與ACDL主承力框架制造過(guò)程解耦,采用了鉆模板轉(zhuǎn)接確保精度傳遞。針對(duì)ACDL頭部裝星時(shí)局部接觸應(yīng)力過(guò)大可能導(dǎo)致的安裝面受損風(fēng)險(xiǎn),采用半卸載安裝形式,同時(shí)確保調(diào)平到位。通過(guò)吊點(diǎn)轉(zhuǎn)接件使頭部吊點(diǎn)處受力均勻并實(shí)現(xiàn)便于調(diào)平的三點(diǎn)起吊。頭部安裝面調(diào)平至水平度6mm以內(nèi)(0.2°)后下降與衛(wèi)星安裝面接觸,在卸載1/2至1/3狀態(tài)時(shí)進(jìn)行螺釘安裝和力矩實(shí)施。圖1為ACDL三點(diǎn)吊裝示意圖。

圖1 ACDL三點(diǎn)吊裝示意圖Fig.1 Three point lifting scheme of ACDL

針對(duì)ACDL頭部裝星后,可能導(dǎo)致衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可恢復(fù)性變形問(wèn)題,定義頭部裝星后衛(wèi)星載荷艙側(cè)板為封艙狀態(tài)。考慮AIT過(guò)程中電測(cè)操作性,采用工藝框作為輔助支撐,經(jīng)監(jiān)測(cè)全過(guò)程星體結(jié)構(gòu)安裝面沉降不大于0.5mm。圖2為ACDL頭部裝星后衛(wèi)星載荷艙輔助支撐狀態(tài)圖。

圖2 衛(wèi)星載荷艙工藝框輔助支撐狀態(tài)圖Fig.2 Supporting frame for payload module of satellite

通過(guò)以上措施,規(guī)避了ACDL頭部裝拆過(guò)程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn),在工程實(shí)踐中取得了較好的效果。借鑒應(yīng)用時(shí)需注意以下事項(xiàng):①鉆模板使用前需檢查檢測(cè)鉆模板變形情況,標(biāo)定其機(jī)械基準(zhǔn)與測(cè)量基準(zhǔn)之間的安裝矩陣。②ACDL頭部裝星前完成其上的星敏感器安裝及熱實(shí)施,確認(rèn)精測(cè)基準(zhǔn)完整、光路可見(jiàn),確保精測(cè)可行性。

3.2 測(cè)試試驗(yàn)階段

1)大功耗集中熱流排散與精密溫控特性

地面測(cè)試時(shí),ACDL采用水冷設(shè)備排散激光功率放大器大功耗集中熱流。水冷設(shè)備制冷溫度設(shè)置需與廠房環(huán)境溫濕度匹配,防止水冷板結(jié)露[24]。為提高地面散熱能力,可適當(dāng)降低廠房溫度至18℃。為防止水冷設(shè)備漏水或結(jié)露導(dǎo)致安全隱患,星體套防水保護(hù)膜,水冷機(jī)組扣透明塑料保護(hù)罩。圖3為ACDL水冷散熱現(xiàn)場(chǎng)布置圖。

圖3 ACDL水冷散熱現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.3 Layout of water chiller for ACDL

入軌工況時(shí)由于激光功率放大器散熱面很大而整星能源限制無(wú)法全額補(bǔ)償加熱,激光功率放大器會(huì)急速降溫至6.5℃。地面熱試驗(yàn)時(shí)通過(guò)星上加熱和地面加熱籠補(bǔ)償保證產(chǎn)品試驗(yàn)安全。圖4為ACDL激光功率放大器入軌初期溫度變化摸底情況。

圖4 激光功率放大器入軌初期溫度變化曲線Fig.4 Simulation and test of temperature curves for laser amplifier on early orbit

2)高功率高頻激光輻射危害特性

為防止ACDL激光輻射損傷其他產(chǎn)品或廠房設(shè)施,出射激光設(shè)置消光裝置。為防止反射雜散光進(jìn)入敏感儀器視場(chǎng),ACDL接收望遠(yuǎn)鏡遮光罩等扣保護(hù)軟罩[25-26]。為防止激光消光產(chǎn)生的雜散光影響周邊儀器性能,采用粘貼含碳聚酰亞胺黑色薄膜對(duì)儀器的入光口進(jìn)行封堵保護(hù)。激光能量波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)專項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)雜散光較為復(fù)雜,在封閉廠房進(jìn)行,防止雜散光對(duì)其他敏感光學(xué)衛(wèi)星測(cè)試性能產(chǎn)生影響。圖5為ACDL激光輻射防護(hù)措施。

圖5 激光輻射危害防護(hù)措施Fig.5 Safety protective measures of laser radiation

激光雷達(dá)開(kāi)機(jī)工作過(guò)程中,劃定隔離工位并設(shè)置作業(yè)禁區(qū),激光器出光期間嚴(yán)禁進(jìn)入禁區(qū)內(nèi)進(jìn)行操作,現(xiàn)場(chǎng)工作人員配置防護(hù)眼鏡[27]。圖6為激光作業(yè)禁區(qū)示意圖。

3)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡污染敏感特性

針對(duì)ACDL發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡污染可能導(dǎo)致的鍍膜損傷風(fēng)險(xiǎn),整星構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)將對(duì)地面(激光出射方向)設(shè)置為衛(wèi)星側(cè)面,同時(shí)要求將擴(kuò)束鏡內(nèi)置在ACDL承力框架內(nèi)部,灰塵等污染物不會(huì)直接豎直下沉至鏡面。明確要求廠房潔凈度保持一萬(wàn)級(jí),不工作時(shí)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡遮光罩上扣防塵罩,長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)需進(jìn)包裝箱充氮正壓保護(hù)。激光器開(kāi)機(jī)工作前檢查確認(rèn)擴(kuò)束鏡灰塵等污染情況,確保符合防污染技術(shù)指標(biāo)要求。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡安裝位置如圖7所示。

圖7 發(fā)射望遠(yuǎn)鏡安裝位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of layout of transmitting telescope

4)工作溫度及電壓敏感特性

針對(duì)ACDL開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)序不對(duì)可能導(dǎo)致載荷無(wú)法正常工作或產(chǎn)品損壞的風(fēng)險(xiǎn),在載荷交付前就驗(yàn)證開(kāi)關(guān)機(jī)程序,明確加電時(shí)序、電壓及溫控等條件;在整星首次開(kāi)關(guān)機(jī)確認(rèn)程序無(wú)誤后,固化指令,防止誤操作。主要加電指令示意如表3所示。

表3 ACDL開(kāi)機(jī)指令Table 3 Startup command chain of ACDL

5)光軸指向穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)特性

在總裝集成階段確認(rèn)ACDL光軸(棱鏡轉(zhuǎn)接)與三頭星敏感器可測(cè)的基礎(chǔ)上,在力學(xué)、熱試驗(yàn)前后開(kāi)展光軸指向測(cè)量,角度變化量均在12″以內(nèi),表明ACDL光軸在整星AIT過(guò)程穩(wěn)定性良好,可滿足主動(dòng)段及在軌環(huán)境使用要求。同時(shí)將相關(guān)鏈路安裝矩陣置入衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量軟件,固化設(shè)置方法避免安裝矩陣修訂時(shí)坐標(biāo)系不匹配等極性設(shè)置問(wèn)題[28-29]。在發(fā)射場(chǎng)技術(shù)區(qū),對(duì)ACDL光軸(Z軸)進(jìn)行射前復(fù)測(cè),與出廠前變化量為15″,滿足不大于1′要求,重復(fù)性良好。圖8為ACDL與三頭星敏感器測(cè)量光路可見(jiàn)性示意圖。

圖8 ACDL與星敏感器測(cè)量光路示意圖Fig.8 Measuring optical path of ACDL and star trackers

3.3 射前設(shè)置階段

根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)技術(shù)流程,以上總裝集成及測(cè)試試驗(yàn)中描述的星體磕碰、地面散熱不匹配、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡污染、激光輻射危害等風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目均有涉及,按出廠前既定措施管控。其中需重點(diǎn)關(guān)注的是射前激光功率放大器溫度設(shè)置。

基于衛(wèi)星熱仿真及真空熱試驗(yàn)結(jié)果,考慮發(fā)射日實(shí)際天氣情況,為防止激光功率放大器入軌段溫度跌出存儲(chǔ)閾值,射前將塔架小封閉空調(diào)溫度調(diào)至23℃,同時(shí)將激光功率放大器溫度加熱至30℃(考慮能源安全,射前10min程控關(guān)閉相關(guān)加熱器)。入軌初期(激光功率放大器加熱器可開(kāi)啟前)遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示最低溫度為8℃,在存儲(chǔ)閾值下限5℃以上,表明相關(guān)保障措施有效。圖9為激光功率放大器入軌初期溫度曲線。

圖9 激光功率放大器入軌初期溫度情況Fig.9 Temperature curves for laser amplifier on early orbit

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要概述了大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星ACDL工作原理及組成,分析了系統(tǒng)典型特點(diǎn)和工作特性,梳理了大體積大質(zhì)量頭部裝星、大功耗集中熱流排散與精密溫控、高功率高頻激光輻射、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡污染敏感、單機(jī)加斷電時(shí)序嚴(yán)格、光軸指向穩(wěn)定性監(jiān)視等關(guān)鍵使用特性,基于整星AIT全過(guò)程識(shí)別了安裝面或星體單機(jī)磕碰、平臺(tái)不可恢復(fù)性變形、激光器溫度過(guò)高或溫度下降過(guò)快、激光輻射導(dǎo)致人員設(shè)備傷害、激光光束質(zhì)量下降或鏡面鍍膜損傷、ACDL無(wú)法工作或器件損傷等風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目,系統(tǒng)論述了總裝集成、測(cè)試試驗(yàn)和射前設(shè)置三大環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施及驗(yàn)證情況。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星ACDL目前在軌工作正常,工程實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明:ACDL整星AIT過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別到位,風(fēng)險(xiǎn)控制措施覆蓋全面、有效,基于關(guān)鍵使用特性的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制方法可以借鑒應(yīng)用于其他星載激光系統(tǒng)。