硬X射线调制望远镜卫星望远镜主支撑结构设计与验证

张爱梅 张童 李娜 王娟 杨生

(1中国科学院高能物理研究所,北京 100049)(2北京卫星制造厂有限公司,北京 100094)

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星的主要有效载荷是望远镜,它由高能、中能和低能望远镜及主支撑结构组成,主支撑结构刚度、强度除满足承载80多台套产品外,重点是保障高能、中能和低能望远镜指向稳定一致[1]。

按照HXMT卫星总体规范要求,望远镜的质量不大于1 t,经反复轻量化设计,总质量为970 kg,由铝合金主支撑结构承载高能、中能和低能望远镜的探测设备。按照科学目标要求,精度分解后[2],高能望远镜准直器的地面装配指向精度应不大于2′,中能、低能探测器机箱布局在主支撑结构展开的悬臂位置,分别放置其内的中能准直器和低能准直器指向精度要求为5′和6′,分配到主支撑结构上,不仅要求面积为1900 mm×1655 mm的上板零件进行高精度加工,在主支撑结构部件装配为一体后,仍然要求上板安装面保持超高精度,这对加工能力是极大的挑战。为此,必须优化设计方案,合理规划工艺方案,力争在传统的加工能力基础上实现目标精度。

本文阐述了主支撑结构的设计思路,对设计方案和工艺方法进行研究,将二者有机结合,进行一体化设计,实现了HXMT卫星望远镜科学目标要求。

1 主支撑结构设计

1.1 设计思路

根据科学目标要求和卫星规范要求,要保证高能、中能和低能望远镜指向一致,主支撑结构应具备强度好、刚度高、质量小、体积小和散热好的性能。综合上述要求,确定主支撑结构的设计要求,即使用加工工艺性能好的轻质金属材料,进行轻量化设计,承力路径上设计加强筋、支撑筒、支撑杆等结构[3],构成可靠稳固的结构框架形式,保障高能、中能和低能望远镜的安装面进行高精度加工的工艺可实现性,进行工艺、测量方法的研究和试验,最终获得高精度的主支撑结构,设计思路如图1所示。

图1 主支撑结构设计思路Fig.1 Main supporting structure design idea

望远镜的设备组成见表1。要实现科学目标要求和卫星规范要求,主支撑结构需要在1900 mm×1655 mm的面积内布局80多台套产品,并保证高能、中能和低能望远镜指向一致。为此,主支撑结构(见图2)由上板、中板和下板3层结构组成,通过支撑筒、支撑杆等连接,构成保证望远镜设备精度的整体框架结构。首先,设计铝合金上板,将精度最高的高能准直器布局在中心区域,按照科学目标要求及轻量化要求进行紧密布局,中能和低能机箱分别布局在－Z和＋Z区域,并通过8组可调节支撑杆支撑;然后,考虑到上板与卫星对接面之间需要高精度、高稳定的刚性连接,设计了每个高能准直器局部分别支撑的方式,在18个高能准直器位置上分别设置支撑筒,而中心设计直接支撑星敏感器的支撑筒;最后,设计了高强度的中板作为与卫星的对接结构,同时中板还承载高能主探测器探头。望远镜的设备布局如图3所示。

表1 望远镜设备组成Table 1 Telescope equipment composition

续 表

图2 主支撑结构设计Fig.2 Main supporting structure design

图3 望远镜设备布局Fig.3 Layout of telescope equipments

1.2 设计难点及解决措施

主支撑结构设计的关键点是在1900 mm×1655 mm的上板大平面上高精度实现并保持其稳定性,设计难点如下。

(1)由于要布局的指向一致的望远镜设备共有28套,高精度面的面积较大,精度要求高,对数控加工能力是极大的挑战。

(2)由于发射段力学振动环境严酷,如果结构强度、刚度和精度稳定性差,主支撑结构将受到影响而引起高能、中能和低能望远镜的准直器和探测器的对准和指向精度变化,而结构的高强度、高刚度和精度稳定性与轻量化要求冲突,因此必须找到一个能够平衡这些要求的设计方案。

针对以上设计难点,进行了如下对应设计。

(1)将1900 mm×1655 mm的上板面进行细节设计,仅使设备安装“足印”面突出在同一平面,减小加工面的面积,并进行多次小进给量切削,以满足0.05 mm平面度要求,如图4所示;其他非设备安装接触面,均下凹1 mm,适当降低精度要求,作为热控散热面并喷涂白漆,在最大限度地减小高精度面加工难度的情况下又设计出了最大面积的散热面。

图4 上板高精度面的设计Fig.4 Design for high precision surface of upper plate

(2)为增加强度、刚度和精度稳定性,设计19个圆柱形支撑筒(如图5所示)来连接上板和中板。工艺设计上,使每个支撑筒组件的端面平面度达到0.02 mm,1.3 m直径的中板精度要求也相应较高,安装支撑筒的平面与卫星对接面平行度达到0.06 mm。在集成为主支撑结构后,对上板的高精度面进行整体铣削加工,将加工工艺与装配工艺结合,从而满足精度要求。

在此设计方案下,进行多次优化和工艺试验,主支撑结构安装完成,对上板＋X面组合加工后,在高精度平台上用千分表连续打表测量上板基准(＋X)面平面度值,测量结果满足0.05 mm的平面度要求。另外,根据科学目标对指向一致性要求,中能探测器机箱和低能探测器机箱均需要与高能准直器指向一致,因此在高精度上板和高刚度中板之间设计了8组支撑杆(见图6),用来支撑和调平上板。这样满足了设备紧密布局、高能准直器与主探测器探头上下对准安装的要求,可实现中能探测器机箱和低能探测器机箱的指向精度要求,满足卫星总体对望远镜体积和轻量化的要求。

2 设计验证

2.1 地面验证

将高能、中能和低能望远镜按照安排的流程装配到主支撑结构上,在地面力、热环境试验前后进行同等温度下的测量,得到高能、中能和低能望远镜准直器指向偏差的空间角度值,表2为试验后指向精度测试值。可见,主支撑结构在承载高能、中能和低能望远镜所有仪器设备的状态下和完成环境考验后均能保持较好的精度。

表2 主支撑结构承载望远镜仪器设备时的精度Table 2 Main supporting structure precision on loading equipments of telescope

2.2 在轨验证

HXMT卫星在轨测试过程中,对5次以上Crab天区扫描的数据进行分析统计[4],校正系统误差,对Crab真实位置和重建位置的差值结果进行比对[5-6],定位精度均满足指标要求(如表3所示),验证了望远镜在经历发射段力学环境考验和在轨热循环环境考验后,仍然保持了良好的设备性能和定位精度,从而证明主支撑结构设计满足科学目标对指向精度的要求。

表3 望远镜在轨定位精度要求及测试值Table 3 Telescope in-orbit pointing precision requirements and measuring results

3 结束语

HXMT卫星望远镜主支撑结构承载设备多、精度要求高,在有限的体积和质量资源限定范围内,还要满足热控和电缆布线的要求。本文对其主支撑结构进行设计,实现了在常规加工工艺能力范围内高精度的安装面。望远镜主支撑结构在地面环境试验、发射段力学环境和在轨热环境影响下,仍然能保证望远镜的精度要求,验证了其设计的合理性。

参考文献(References)

[1]张双南．硬X射线调制望远镜——中国第一颗X射线天文卫星[J]．物理,2017,46(6):341-347 Zhang Shuangnan．HXMT－the first X-ray astronomy satellite[J]．Physics,2017,46(6):341-347(in Chinese)

[2]吴石林,张玘．误差分析与数据处理[M]．北京:清华大学出版社,2010:97-115 Wu Shilin,Zhang Ji．Error analysis and data processing[M]．Beijing:Tsinghua University Press,2010:97-115(in Chinese)

[3]袁家军．卫星结构分析与设计(上)[M]．北京:中国宇航出版社,2004:46-73 Yuan Jiajun．Satellite structure analysis and design(part 1)[M]．Beijing:China Astronautics Press,2004:46-73(in Chinese)

[4]Li Tipei,Wu Mei．A direct method for spectral and image restoration[C]//Proceedings of the Astronomical Data Analysis Software&Systems I．San Francisco:A．S．P．Conference Series,1992:229-231

[5]Li Tipei,Wu Mei．A direct restoration method for spectral and image analysis[J]．Astrophysics and Space Science,1993,206(1):91-102

[6]Li Tipei,Wu Mei．Reconstruction of objects by direct demodulation[J]．Astrophysics and Space Science,1994,215(2):213-227