基于多观测模式的科学卫星构型布局设计与验证

李昂 赵二鑫 洪斌 张龙

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星装载高能、中能和低能望远镜以及空间环境探测器(SEM)等4个空间探测有效载荷,其主要科学目标是实现1～250 keV的X射线高灵敏度和高空间分辨率巡天成像,探测大批超大质量黑洞和其它高能天体,研究宇宙X射线背景辐射和活动星系核的统计性质。HXMT卫星的主要观测模式包括巡天观测模式、小天区观测模式、定点观测模式和伽马暴观测模式。

卫星基于资源二号卫星平台,根据有效载荷需求进行了适应性设计,卫星构型和布局则以有效载荷需求为中心,采取多种措施,一方面满足有效载荷观测需求,另一方面为有效载荷创造良好的力热环境。由于有效载荷具有巡天、小天区、定点和伽马暴等观测模式,导致卫星没有稳定的对地面,为满足有效载荷低温需求,卫星采用－Z面安装遮阳板并在各观测模式下采用－Z面对日定向的姿态,保证有效载荷不受太阳直射;为保证有效载荷的高精度观测,将星敏感器与有效载荷进行一体化共基准安装,星敏感器支架采用碳纤维复合材料以提高连接刚度并减小热变形;主有效载荷——硬X射线调制望远镜质量为970 kg,为降低有效载荷动力学响应,将载荷舱高度由1050 mm降低到660 mm,将平台设备尽量安装到服务舱,为此,需提高服务舱装填密度;同时构型布局设计还要兼顾卫星的总装可操作性,以方便地面总装集成、起吊、运输等操作[1]。

1 HXMT卫星多观测模式对构型布局需求分析

HXMT卫星所承载的X射线望远镜为实现其科学目标需要完成巡天、定点、小天区和伽马暴观测,望远镜光轴需要指向天空;且构型上要尽可能降低卫星平台对有效载荷感生本底干扰和屏蔽地球大气的反照本底,即有效载荷的探测方向需要背向卫星服务舱安装。同时需要进行各观测模式对卫星构型布局的需求分析。

1.1 巡天观测模式

巡天观测模式用于发现被尘埃遮挡的超大质量黑洞和大量未知天体,研究宇宙硬X射线背景和活动星系核的统计性质,以加深对超大质量黑洞起源、形成和吸积历史、星系形成和演化等的认识。巡天观测模式要求整星－Z轴对日定向慢旋,在慢旋中保证安装在星体＋X方向的望远镜视场不会受到地球遮挡,控制卫星本体坐标系时刻与当前目标坐标系重合,即可实现巡天观测模式的控制要求。选择星敏感器作为姿态测量部件,为实现星敏感器与望远镜指向的精准性,需要在构型布局设计中保证甚高星敏感器与望远镜为共基准安装。

1.2 定点和伽马暴观测模式

定点观测模式用于对黑洞、中子星、活动星系核等高能天体的定向观测,分析其光变和能谱性质,研究致密天体和黑洞强引力场中物质的动力学和高能辐射过程;且在此观测模式下可以对亮的脉冲星和X射线双星实施定向观测,进行快速的时变分析。定点观测模式要求卫星＋X轴指向空间某一位置,通过对整星姿态进行控制,保证＋Z面以及±Y面不受太阳照射,太阳翼在对准太阳后处于保持模式。定点观测模式下需要着重解决能源与热控问题,即改善太阳翼的日照条件以及有效载荷的低温热控;为保证有效载荷的低温要求,减小太阳热流的影响,需要在卫星－Z面设置遮阳装置。

伽马暴观测模式是通过降低主探测器光电倍增管的高压,改变望远镜的探测能区,从而实现对特定天体高能区伽马射线暴的观测,属于一种特殊的定点观测,对构型布局需求与定点观测模式相同。

1.3 小天区模式

小天区深度扫描模式与定点观测模式非常相似,都是相对惯性空间定向,定点观测的观测目标为惯性空间某一点,而小天区深度扫描的观测目标为惯性空间某一有限张角的区域。小天区扫描模式要求卫星＋X轴指向局部天区进行逐行扫描,太阳翼在对准太阳后保持不动。该观测模式对构型布局的需求与定点观测模式一致。

1.4 其他模式

卫星在轨运行除了正常的观测模式,还有许多其他必要的传统工作模式,如发射入轨模式、姿态机动模式、轨控模式、应急模式等。卫星构型布局设计与工作模式设计是一个相互迭代和促进的过程,因构型上在－Z面设置了遮阳装置,卫星在姿态机动和轨控工作模式中,均首先将卫星转入－Z轴对日状态,而这又会对遮阳装置的遮阳能力及构型尺寸提出需求。特别是HXMT卫星采用倾斜轨道,太阳光照条件较为复杂,考虑星上能源需求,为保证轨控期间太阳翼仍具有较好的日照条件,需根据构型对轨控姿态进行优化设计,并对姿轨控推力器进行合理布局设计。

在各种观测模式下,－Z面均会受到阳光的照射,温度较高,而＋Z面均不会受到阳光照射,温度相对较低,则构型布局设计时应考虑将热耗较高设备尽量靠近星体＋Z侧。

2 HXMT卫星适应多观测模式构型布局设计

2.1 整星模块化、集成化构型设计

HXMT卫星整星构型采用模块化分舱段的设计思路[2],划分为独立的载荷舱和服务舱。为适应主有效载荷——硬X射线调制望远镜安装,载荷舱承力筒采用倒锥形式,上、下端框直径分别与主有效载荷及服务舱承力筒相适应。

HXMT卫星采用模块化分舱段构型设计,既利于服务舱继承使用,又利于有效载荷的集成化。载荷舱独立设计,可以使有效载荷更灵活的根据用户的需求而改变,且易于实现载荷舱的布局、总装和测试[3]。

HXMT卫星整星发射质量2496 kg,卫星本体为立方体构型,截面为1.8 m×2 m。服务舱高度为1.6 m,载荷舱高度为0.6 m。卫星±Y面均安装太阳翼,发射时,太阳翼折叠收拢压紧在卫星两侧,发射状态卫星的轮廓尺寸为Φ2.9 m×4 m,卫星发射状态构型如图1所示;入轨后,卫星太阳翼展开状态的横向尺寸为15 m,卫星入轨太阳翼展开状态构型如图2所示。

图1 卫星发射状态构型Fig.1 Configuration of launch

图2 卫星飞行状态构型Fig.2 Configuration of flight

2.2 低本底干扰载荷布局设计

HXMT卫星主有效载荷硬X射线调制望远镜为一体化安装的高能、中能、低能望远镜[4],外包络尺寸1.9 m×1.6 m×0.9 m,总质量970 kg。望远镜主结构配置有3层安装板,其中上板为高能、中能、低能望远镜准直器提供安装平台;下板位于底部(载荷舱内),主要作用是将主探测器的光电倍增管外壳法兰联结成一体,提高整体结构的刚度。中板法兰作为主有效载荷与星体机械的连接面,设置有定位销孔和安装连接孔,用于与载荷舱定位和连接。

HXMT卫星采用模块化分舱段的构型设计,为隔离平台对望远镜探测器的感生本底干扰,将望远镜安装在独立的载荷舱顶面,并将有效载荷视场背向服务舱安装。采取这种构型布局设计,并通过合理优化卫星飞行姿态,可以保证有效载荷对天指向,视场内无遮挡,并且高能望远镜可以通过碘化铯(CsI)屏蔽掉荷电粒子与卫星服务舱物质作用产生的感生本底,同时屏蔽大气反照本底,使得望远镜视场中背景均匀分布。HXMT卫星望远镜布局设计如图3所示。

图3 卫星望远镜布局Fig.3 Configuration of telescope

2.3 星敏感器与望远镜一体化安装布局设计

为保证硬X射线调制望远镜光轴的指向确定精度,除要求望远镜与星敏感器实施在轨标定外,还需要从总体构型布局设计方面进行保障。为最大限度减小有效载荷与星敏感器在发射段及在轨飞行期间的热变形以及在轨期间结构热变形的同步性,必须将有效载荷与星敏感器安装于同一主结构[5];并保证主结构的强度与刚度,以此来降低二者之间的相对形变;此外,结构要满足一定的精度要求,提供结构精度基准,保证有效载荷与星敏感器安装所需要的特殊安装精度;且为进一步提高星敏感器相对望远镜的连接刚度,实现共基准安装,星敏感器支架采用碳纤维复合材料,在保证连接刚度的基础上,实现了结构的轻量化。HXMT卫星星敏感器与望远镜一体化安装布局设计如图4所示。

图4 星敏感器与望远镜一体化安装布局Fig.4 Integrated installation of star sensor and telescope

2.4 多维高效遮阳板布局设计

通过对观测模式和观测时机进行分析,在定点观测模式和小天区扫描模式下,望远镜依然无法避免受到太阳照射[6]。因此,HXMT卫星在构型布局设计中需要增加遮阳板,以解决阳光与＋X轴夹角在70°～90°以及与±Y夹角11°时望远镜受到阳光照射问题。

望远镜的有效载荷遮阳板的作用主要用于遮挡阳光,减小有效载荷的空间外热流[7]。载荷遮阳板采用－Z向板同侧向支撑杆的组合结构形式。方案主要考虑,既可以遮住从－Z方向照射的太阳光,又能够减小对热控散热面的遮挡,因此采用单板加支撑杆的结构形式。有效载荷遮阳板A的尺寸为2.1 m×1.5 m。

HXMT卫星除设置有效载荷遮阳板外,亦在卫星－Z面设置6块窄遮阳板B和C,以对卫星除对日面外的其他面形成多维的遮阳效果,更利于卫星本体和有效载荷的散热。HXMT卫星多维遮阳板布局设计如图5所示。

图5 多维遮阳板布局Fig.5 Layout of multidimensional sun visor

2.5 高功能密度设备布局设计

硬X射线调制望远镜为资源二号卫星平台卫星目前最重的单个有效载荷,为了降低望远镜动力学响应,从构型上将载荷舱高度压缩到最低,由目前普遍1 m以上高度降到660 mm,保障单层设备的总装操作即可,平台设备全部安装在服务舱中。

HXMT卫星平台设备布局采用划功能区、高密度布局的设计思想,即将用于同一功能实现的分系统设备布置在同一功能区,且功能区内的仪器设备在满足总装操作和综合测试的前提下,尽可能相对卫星纵轴(＋X轴)紧凑安装。提高仪器设备布局的功能密度,亦是整星构型模块化、集成化的体现,每个功能区即可视作独立的功能模块或功能子模块,在卫星集成过程中,有效的较少或缩短了仪器设备间的电缆连接,更利于分系统级的联试与验证;提高仪器设备布局的功能密度[8],更是降低卫星转动惯量,提高在轨敏捷性的重要措施。服务舱按照功能系统主要划分为4个功能区:电源功能区、控制功能区、数传功能区和测控/数管功能区,各功能区内仪器设备布局紧凑,电缆连接简短,功能区之间通过单根电缆即可实现跨区连接,通过功能区划分进行设备布局,服务舱干重由目前约900 kg提高到1000 kg多,同时有效简化了电缆路径。

3 HXMT卫星构型布局结果分析与验证

3.1 整星刚度分析与验证

HXMT卫星整星采用服务舱＋载荷舱的构型形式,其中服务舱基本结构布局采用资源二号卫星平台的结构布局,该构型已历经多星的成功发射验证;载荷舱为提高望远镜的承载刚度和在轨稳定性采用中心承力筒＋型板式结构布局,与服务舱直接通过中心承力筒进行连接,传力路径更直接可靠。为提高有效载荷遮阳板A的整体刚度和局部强度,有效载荷遮阳板A采用碳纤维材料面板蜂窝夹层结构,亦实现了整体结构的轻量化。HXMT卫星构型布局经力学试验验证,整星纵向基频为54.65 Hz,横向基频为13.99 Hz和13.88 Hz,均满足运载火箭的基频要求。HXMT卫星的成功发射亦验证了整星构型布局设计的合理性。

3.2 运载相容性分析与验证

HXMT卫星加注后整星质量为2.6 t,尺寸包络为Φ2.9 m×4 m,满足运载火箭的质量约束和整流罩内包络的尺寸约束,且卫星与运载火箭采用标准的1194A星箭接口。HXMT卫星在运载火箭整流罩内的发射状态如图6所示,卫星与运载火箭的顺利对接验证了整星构型尺寸及布局设计满足要求。

图6 HXMT卫星在整流罩内的发射状态Fig.6 Launch state in fairing

3.3 望远镜视场分析与验证

HXMT卫星主有效载荷望远镜的视场直接关系到对空间科学目标的观测。根据卫星的有效载荷布局设计,高能、中能和低能望远镜安装在载荷舱顶板,观测方向为对天观测(＋X方向)。高能望远镜的合成视场为5.7°×5.7°半锥角,其视场内无遮挡;中心部位6个单体面向中心侧单边视场1.1°,如图7所示,望远镜中心的星敏及－Z面的遮阳板对高能望远镜的视场均无遮挡。中能望远镜的视场1°×4°(半锥角),由于有效载荷遮阳板A较高,其顶部与望远镜顶部中能望远镜视场较近,为此将遮阳板A顶部中央580 mm×250 mm范围向－Z方向凸出22 mm(见图5),望远镜顶部中能望远镜视场与遮阳板A最近距离达到26 mm,无遮挡。低能望远镜合成视场6°×6°(半锥角),仅望远镜中心的星敏感器距离较近,经分析不会对低能望远镜视场产生遮挡,中能和低能望远镜的视场分析如图8所示。HXMT卫星在轨已进行正常的观测,望远镜视场区域内无卫星设备背景,验证卫星构型布局设计未对望远镜各探测视场造成遮挡。

图7 高能望远镜视场分析Fig.7 Field analysis of high energy telescope

图8 中能、低能望远镜视场分析Fig.8 Field analysis of medium energy and low energy telescope

3.4 遮阳板遮阳效果分析与验证

有效载荷遮阳板A是为解决在卫星定点观测和小天区扫描观测时,当阳光与星体X面成20°与Y面11°的情况下,不会对望远镜探测器进行照射,从而降低望远镜的外热流,保持有效载荷的低温需求。如图9所示,阳光与顶面成20°与侧面11°情况下,有效载荷遮阳板A的遮阳范围(图9中虚线所示区域),可看出有效载荷遮阳板A能够完全遮蔽高能、中能和低能望远镜本体和望远镜中心安装的星敏感器。HXMT卫星已在轨进行定点观测和小天区扫描观测,未出现有效载荷热控不正常的情况,有效载荷遮阳板A起到了遮挡作用。

图9 有效载荷遮阳板A对望远镜探测器的遮挡分析Fig.9 Sheltering analysis of sun visor to telescope

3.5 总装及测量实施性分析与验证

HXMT卫星整星采用模块化分舱设计,有效的提高了卫星总装操作和综合测试的开敞性。在总装操作过程中,卫星两舱外板不安装,先进行有精度要求设备的安装及精测,然后进行舱内设备的安装。卫星的测试大致分为两舱分离状态下测试、两舱对接后的测试。两舱对接后的测试分为不装外板、装外板状态测试。星上有精度要求的设备主要为控制、推进、有效载荷分系统设备。望远镜安装精度靠加工保证,安装完毕后进行实测;舱内精测设备通过在外板设置相应精测通路及转移基准即可满足总装测量需求。HXMT卫星在整个卫星总装、集成和测试(AIT)过程中均顺利完成,验证了构型布局设计的合理性。

4 结论

HXMT卫星构型布局设计作为总体设计的重要工作之一,必须以满足科学目标实现为基础,以适应和支持卫星巡天观测模式、定点观测模式、小天区模式和伽马暴观测模式为任务需求,实现HXMT卫星适应望远镜多种观测模式的构型布局设计,结论如下:

(1)通过分析卫星各种观测模式的工作特性,归纳卫星各观测模式对构型布局的设计需求:为降低卫星平台对有效载荷感生本底干扰和屏蔽地球大气的反照本底,即有效载荷的探测方向需要背向卫星服务舱安装;为实现星敏与望远镜指向的精准性,需要在构型布局设计中保证星敏感器与望远镜为共基准安装;为保证有效载荷的低温要求,减小太阳热流的影响,需要在卫星－Z面设置遮阳装置。

(2)采用模块化、集成化的原理,实现整星服务舱＋载荷舱的构型设计,不仅实现了总装操作的方便性和并行集成的需求,更易于形成独立的平台模块,提高了平台的可拓展性;将望远镜有效载荷安装在独立的载荷舱顶面,并将有效载荷视场背向服务舱安装,降低了有效载荷的感生本底干扰,并有效屏蔽了地球大气的反照本底;采用星敏感器与望远镜的一体化共基准安装布局的方式,保证了望远镜光轴指向的确定精度;通过合理设计遮阳板构型与布局,实现了卫星定点观测与小天区扫描观测的需求;采用功能区划分与高密度布局的思想,实现了服务舱平台设备的高功能密度布局设计,有效降低了载荷舱高度并减少了线缆连接,提高了总装的可实施性。

(3)HXMT卫星支持多种观测模式的构型布局设计的合理性与正确性,在卫星总装与测量、综合测试、力/热试验考核、卫星发射与在轨运行等各阶段均得到了验证,亦为我国后续空间科学探测卫星构型布局设计提供了指导与参考。

HXMT卫星成功发射和在轨稳定运行,验证了卫星构型布局设计的正确性,对未来我国空间科学探测卫星的构型布局设计具有很好的借鉴意义。

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