基于半刚性连接的提高星敏感器指向精度的安装设计

朱华,张春雨,周徐斌,张宗华,顾志悦,吕凯

上海卫星工程研究所,上海201109

基于半刚性连接的提高星敏感器指向精度的安装设计

朱华*,张春雨,周徐斌,张宗华,顾志悦,吕凯

上海卫星工程研究所,上海201109

研究和分析了热变形引起的星敏感器和合成孔径雷达(SAR)天线的形变特点,设计了一种SAR天线与星体结构之间的安装方法,并以某卫星为例,将两者半刚性连接(横向游离),其安装设计方法在于将SAR天线框架与星体间的螺钉连接横向刚度减小,使星体的热变形与SAR天线产生了横向游离效果。计算分析和试验表明,这种安装设计方法有效地提高了星敏感器相对于SAR天线中板阵面的指向精度,可以满足高分辨率卫星成像的需求,为其他有较高指向精度要求的单机安装提供参考。

星敏感器;指向精度;半刚性连接;计算分析;热变形试验

星敏感器是高精度的卫星姿态测量装置,在卫星姿态测量和控制系统中起着重要的作用,提供航天飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态[1-3]。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)天线作为一种主动式微波成像传感器,通过发射宽带信号,结合合成孔径技术,能在距离向和方位向上同时获得二维高分辨率图像[4-6]。星敏感器相对于SAR天线阵面的指向精度直接决定了卫星成像的效果。其精度除主要受星敏感器的测量噪声和低频漂移误差影响外,还与有效载荷的安装参数测定误差、卫星结构变形等因素有关[7-8]。其中,卫星结构变形主要是在轨时由太阳辐射、地球辐射反照引起温度交变的热变形导致的。SAR天线框架和星敏感器支架都是用碳纤维复合材料制造的,其热膨胀系数极低,它们自身产生的热变形很小。研究分析表明,卫星的热变形主要是由星体变化产生的。文章介绍了一种新的半刚性连接(横向游离)的安装方法,通过计算仿真分析和试验验证,证明其有效地降低了由热变形引起的对星敏感器相对SAR天线中板指向精度的影响。

目前,对星敏感器精度的研究主要从姿态控制、算法改进、信号调制等方面进行[9-11],通过改变结构连接方法降低热变形引起的星敏感器精度变化的研究尚处于探索状态。国内空间热分析的研究对象多为对空间环境温度与型面热变形敏感的空间结构与星载设备,研究范围正在不断扩大,采用的方法多为有限元或有限差分法。与国外不同的是,以前较少应用已有优秀CAD/ CAE软件,通常自己开发程序,程序没有通用性,现在这种状况已经有了很大的改善[12-13]。

1 SAR天线和星敏感器的安装

SAR天线框架是大型结构件,具有一定刚度,为SAR天线内部各组件提供构型支撑,同时提供外部接口[14]。以某卫星为例,SAR天线框架共有三块,其中SAR天线两侧框架发射时收拢在星体两侧,入轨时展开,SAR天线中板框架与星体固定。三个星敏感器通过星敏支架与SAR天线中板框架的边框连接,与星体无接触。SAR天线框架、星敏感器与卫星之间的安装关系如图1所示。

图1 SAR天线框架和星敏器示意Fig.1 Schematic of SAR antenna frames and star sensors

1.1 星敏感器和SAR天线之间的连接

星敏感器通过星敏支架与SAR天线中板框架连接。由于星敏感器质量较大且向星外延伸安装,可认为其是悬臂梁结构形式。故为了能通过发射阶段的力学考验,星敏支架与SAR天线中板框架采用刚性连接,采用镙接加胶接组合方式,这样发射时其响应才能在可承受的范围内。星敏支架安装示意如图2所示。

图2 星敏器支架安装示意Fig.2 Schematic of installation of brackets for star sensor

1.2 SAR天线框架和星体之间的连接

(1)刚性连接方式

SAR天线中板框架与星体通过18个M5螺钉刚性连接的形式相连,这样充分保证了连接刚度,能够承受卫星发射阶段的力学环境。螺钉连接的特点是结构简单可靠,能够产生自锁[15]。

图3所示为SAR天线中板框架与星体普通螺钉刚性连接,星体连接件上原为Φ3配打孔,钻头进行配打时极有可能沿着SAR天线框架上的阶梯孔下孔壁进行,这样就使得SAR框架与螺钉完全处于无缝接触,限制了SAR框架的横向移动;而采用弹垫和平垫,加强了连接刚度的同时也增加了SAR框架和星体之间的摩擦系数,更限制了其横向移动。但是卫星在轨时星体的热变形会通过刚性连接全部传递到SAR天线和星敏感器上,横向移动的限制使SAR天线框架自身无法将星体带来的热变形消化,造成星敏感器相对SAR天线中板指向精度受到很大的影响,进而大大降低了卫星成像效果。

图3 SAR天线中板框架与星体刚性连接示意Fig.3 Schematic of rigid connection between SAR middle plate and satellite

(2)半刚性连接方法

针对以上刚性连接所带来的星敏感器相对指向精度偏差较大的问题,在保证一定的连接刚度的同时,将螺钉连接对SAR天线框架横向约束适当降低,通过同时采取4种措施达到这种目的。1)取消弹垫,减小纵向压紧力,减小横向摩擦系数。2)在平垫和SAR框架接触面之间镀润滑膜(二硫化钼),增大横向润滑作用。3)在SAR天线框架阶梯孔上孔中安装一个限位衬套,使钻头配打时钻孔必然在阶梯孔下孔中心位置,螺钉与SAR天线框架的阶梯孔下孔孔壁保持一定的间隙。这样当星体热变形传导至SAR天线框架时,其自身能够通过间隙产生横向移动将热变形消化,相当于将星体的热变形对SAR天线框架横向的影响进行了游离,同时螺钉处于悬臂状态,也可吸收一定的热变形。4)安装螺钉时按对角线安装方式,将SAR天线中板对角的两个螺钉先安装,保证这两个螺钉与SAR中板配打时有间隙,再将中板两侧其余螺钉一一相向安装,这样可以保证剩余螺钉与SAR中板有一定间隙。

为区别刚性连接,将这种横向刚度降低的方法称为半刚性连接,图4所示为SAR天线框架和星体间半刚性连接状态。

以下将通过计算分析对比上述两种连接方式,并对半刚性连接方法进行试验验证,来证明第二种连接方法有效地降低了热变形对星敏感器相对SAR天线中板指向精度的影响。

图4 SAR天线中板框架与星体半刚性连接示意Fig.4 Schematic of semi-rigid connection between SAR middle plate and satellite

2 热变形计算分析

2.1 计算分析

卫星的星箭连接环固定约束,初始温度为20℃。卫星的温度边界条件设置是通过卫星热控分系统提供的整星在轨温度分布,借助于有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN,根据高温工况和低温工况两种温度场进行计算仿真。图5所示为高低温工况下,整星温度场分布状态。

为了求得星敏感器相对于SAR天线中板指向角度,将星敏感器安装面的节点拟合出一个曲面求得其法线。同样地,将SAR天线中板框架阵面的节点拟合出一个曲面,并求得其法线。这两条法线的夹角即指向角度,它们热变形前后的夹角变化大小即为指向精度。

设星敏安装面上各节点原始坐标为xn,yn,zn,热变形后的坐标为x′n,y′n,z′n,其矩阵表示:

空间平面方程:

式中:C为热变形后星敏安装面拟合曲面的法向向量;D为初始面的法向向量。同理可得SAR天线中板框架热变形后拟合曲面的法向向量为E和初始面的法向向量为F。

图5 高低温两种工况下整星温度场分布Fig.5 Temperature distribution of satellite under high and low cases

向量夹角:

式中:a为初始状态星敏安装面和SAR天线中板框架阵面法向指向夹角;b为热变形时两个法向指向夹角;θ为星敏感器相对SAR天线中板的指向精度,单位为角秒(″)。

2.2 计算结果

SAR天线框架和星体间按1.2节中的两种连接方式进行连接,其中连接采用bush单元,半刚性连接时将X向和Y向(横向)两个刚度释放。高低温两种工况下,通过仿真分析可以得到星敏感器和SAR天线中板框架位移形变,如图6所示。

提取星敏安装面和SAR天线中板阵面的节点热变形前后的坐标,将式(1)～(4)通过Matlab软件编写计算程序后代入,计算得出相对指向精度,其计算结果如表1所示。

图6 星敏感器和SAR天线中板框架形变Fig.6 Deformation about SAR middle frame and star sensors

从上述位移形变和指向精度的数据中可以得出:1)比较不同温度工况的两种连接方式,同一台星敏感器自身的指向精度成正相关的关系。2)采用刚性连接的方式时,高低温形变的峰峰值(p-p)分别为1.902×10-4mm和5.485×10-4mm;半刚性连接方法时,高低温p-p分别为0.669×10-4mm和0.98×10-4mm。同种温度工况下,后者优于前者的形变为3～5倍;3)比较同种温度工况下同一台星敏感器指向精度,半刚性连接方法的星敏精度优于刚性连接方式2～6倍。

表1 星敏感器指向精度Table 1 Pointing accuracy of star sensors

计算仿真的结果反映了两种连接方式对星敏感器相对SAR天线中板指向精度的有效性,采用半刚性连接方法所得的精度计算结果大大优于刚性连接。针对上述结论,考虑到型号试验的不可逆性与复杂性,通过SAR天线与星体半刚性连接的热变形试验直接验证仿真计算结果,以此证明仿真计算值与真实情况基本吻合。

3 热变形试验

3.1 试验工装及温度加载工况

为尽可能模拟卫星在轨工作时失重的状态,将星上所有单机拆除,SAR天线展开,通过重力卸载装置悬挂。为保证试验的有效性,将星箭连接环固支并采取隔热措施,温度加载区域包括平台舱、载荷舱、星敏感器支架和SAR天线阵面等。其中平台舱、载荷舱和SAR天线阵面采用照射加热装置控制,星敏感器支架采用电加热器控制,整星共布置1000个温度测量点,SAR天线中板框架与星体连接形式为半刚性连接。热变形试验如图7所示。

采用电子经纬仪进行测量,电子经纬仪跟踪架为三轴(垂直轴、水平轴、视准轴)地平装置。图8所示为SAR天线阵面测点分布,其中两台经纬仪对SAR天线阵面上靶标点的坐标值进行测量,三台经纬仪分别对三个星敏安装面上棱镜进行测量。

图7 热变形试验Fig.7 Test of thermal deformation

图8 SAR天线测点分布Fig.8 Measuring points of SAR

3.2 试验数据

(1)热变形试验

由于条件限制,没有降温环境,故试验只模拟升温过程,且采取拉偏形式进行。同时采集试验数据,取三次的平均值。试验厂房的环境温度要求控制在(20±5)°C。

共有三种试验工况:整星拉偏为(40±5)°C;整星拉偏为(60±5)°C;SAR天线和星敏感器保持在(20±5)°C,星体拉偏为(60±5)°C。将这三种试验工况进行仿真分析后和试验数据进行对比,其结果如表2所示。前两种试验工况的目的是为了验证2.2节中高低温工况仿真的有效性,第三种试验工况是为了验证SAR天线与星体的连接产生是否产生游离作用。

表2 试验工况与仿真结果Table 2 Data of test cases and simulation calculation

从试验数据和仿真结果中可以得到:1)试验工况2和3比较,星体产生的热变形对星敏的指向精度影响很大。2)试验工况2中星敏1和星敏2的趋势与仿真结果趋势不一致,可能由于靠近星敏感器1和2的半刚性连接实际存在较大的摩擦,导致星体热变形对SAR天线和星敏感器有较大影响,同时可能存在测量系统误差等因素;其他试验工况与仿真结果的趋势保持相同,从而验证了2.2节中卫星两种连接方式高低温工况的仿真分析的准确性。3)试验工况4中,星体的加热对星敏指向精度基本无影响,说明半刚性连接的方法有助于将星体热变形进行游离。

(2)力学试验

为验证半刚性连接对卫星的力学性能的影响,对卫星进行振动试验。整星振动试验的刚度结果为:X(横向)15.21 Hz,Y(横向)16.41 Hz,Z(纵向)42.56 Hz;预复振横向频率漂移在0.11 Hz,纵向漂移在0.62 Hz之内,振动试验结果合理。整星刚度满足整星横向12 Hz、纵向35 Hz的指标要求。对SAR天线中板和三个星敏感器处的振动响应数据进行读取,结果如表3所示。

表3 SAR天线中板和星敏感器最大振动响应值Table 3 Max value of vibration response of SAR antenna and star sensors

从整星的振动试验结果和表3中的数据可以看出,SAR天线中板和三个星敏感器的振动响应值较小且基本一致,说明半刚性连接的方法可以有效保证SAR天线和星敏感器承受发射阶段的力学环境。

为进一步观察半刚性连接的设计方法对星敏感器振动试验的影响,对SAR天线中板和星敏感器进行振前和振后的精测。同样地,进行三次精测,取平均值。表4为三个星敏感器的精测结果。

表4 SAR天线中板和星敏感器振动前后的精度结果Table 4 Accuracy measurement of SAR antenna and star sensors

从振前振后的SAR天线中板和星敏感器的精测数据对比看出,变化量在30″内,符合指标要求。这进一步说明半刚性连接的刚度满足星敏安装的要求,能保证使用精度。

4 结束语

本文详细说明了一种卫星SAR天线框架和星体连接方法——半刚性连接,与普通的刚性连接相比,前者在保证一定刚度的同时能使卫星的星敏感器相对SAR天线中板指向精度提高很多。从计算仿真的数据看,前者优于后者2～6倍。同时对热变形进行了试验,其结果证明了半刚性连接能有效地对星体热变形产生游离和抑制效果,也验证了仿真分析的准确性。最后,通过力学试验和星敏的精测数据可以验证半刚性连接方法的实用性。这种方法可为其他型号卫星上因热变形引起精度下降的单机提供参考。

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(编辑:高珍)

An installation design of improving pointing accuracy of star sensor based on semi-rigid connection

ZHU Hua*,ZHANG Chunyu,ZHOU Xubin,ZHANG Zonghua,GU Zhiyue,LYU Kai
ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering,Shanghai201109,China

Satellite performance in orbit is impacted by pointing accuracy of star sensor and synthetic aperture radar(SAR)middle plate because of thermal deformation.Characteristics about thermal deformation of star sensor and SAR were studied and analysed,and installation between SAR and satellite body was designed.Taking one satellite as an example,SAR and satellite body were connected with a semi-rigid(horizontal constraint released)method,and the influence of satellite thermal deformation was isolated to SAR with a certain rigidity.As a result,pointing accuracy of star sensor relative SAR middle plate increased,and met the requirement of satellite imaging.This is verified by calculation analysis and test,and can provide reference for other aerospace electronc equipments.

star sensor;pointing accuracy;semi-rigid connection;calculation and analysis; thermal deformation test

V416.1

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0025

2015-12-01;

:2016-01-05;录用日期2016-02-24;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-04-19 15:39:18

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1539.009.html

国家自然科学基金(51505294)

*

:朱华(1986-),男,工程师,738412291@qq.com,主要研究方向为卫星结构与机构设计及仿真

朱华,张春雨,周徐斌,等.基于半刚性连接的提高星敏感器指向精度的安装设计[J].中国空间科学技术,2016,36(2):66-73.ZHUH,ZHANGCY,ZHOUXB,etal.Aninstallationdesignofimprovingpointingaccuracyofstar sensorbasedonsemi-rigidconnection[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):66-73(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn