硬X射线调制望远镜卫星总装设计与实现

洪斌 赵二鑫 李昂 张龙 张爱梅 杨生

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星于2017年6月成功发射,它以我国成熟的资源二号卫星平台为基础,根据空间天文卫星的特点进行适应性设计,应用我国20世纪90年代初创建的直接解调成像方法建造[1],是实现宽能区X射线巡天成像和定点观测的我国首颗X射线天文卫星[2]。HXMT卫星望远镜包括高能、中能和低能望远镜,其对天观测的任务特点,对卫星轨道、运行时间、观测模式、卫星平台等都提出了新的需求,也给卫星的总装设计及实现带来了新的挑战。

本文针对HXMT卫星望远镜的特殊需求,在传统对地遥感卫星总装设计的基础上,研究了卫星总装的特点,提出了适应望远镜的总装设计方案,可为我国未来X射线望远镜卫星的总装设计提供参考。

1 总装特点分析

HXMT卫星主要由对接段、服务舱、载荷舱、望远镜、遮阳板等5部分组成,如图1所示。其中:服务舱及对接段继承资源二号卫星平台设计;载荷舱和遮阳板为新设计,载荷舱是卫星主结构的一部分,承载安装望远镜和配套电子设备,遮阳板是根据望远镜热控需求专门设计的一种特殊部件;望远镜为全新设计的有效载荷,其高能、中能和低能望远镜通过整体结构集成在一起,安装在载荷舱上。

图1 HXMT卫星组成Fig.1 Composition of HXMT satellite

与传统采用资源二号卫星平台的对地遥感卫星相比,HXMT卫星在总装设计上具有以下特点。

(1)望远镜具有质量大、体积大、探测器数量多、电连接器分散的特点。18台高能主探测器的电连接器在整个望远镜的正下方,6台顶面反符合屏蔽探测器的电连接器在整个望远镜的正上方,与卫星本体对接后,电缆需要在望远镜主结构上进行总装,操作困难,风险大且周期长。

(2)卫星采用对惯性空间定向的观测模式,卫星－Z面始终指向太阳,而中能、低能望远镜有低温工作要求,为了避免太阳光直射到望远镜上,要减小望远镜的外热流,因此总装需要在卫星－Z面安装一块遮阳板。

(3)高能、中能和低能望远镜通过记录统计入射X射线光子转换的电子数,完成一次X射线光子实例的探测,杂散光会干扰正常光子计数,给科学数据处理带来极大困难。遮阳板比望远镜高,总装需要对遮阳板的上边缘和侧边缘进行特殊设计,才能满足高能、中能和低能望远镜对杂散光的控制要求。

(4)高能望远镜选用复合晶体NaI(Tl)/CsI(Na)作为探测介质,中能望远镜选用Si-PIN探测器元件,低能望远镜选用CCD作为探测元件。高性能的探测器在卫星全周期总装过程中,需要由总装提供良好的环境条件。

2 总装设计与实现

HXMT卫星望远镜在探测器规模、数量、地面总装环境、在轨工作环境等方面都有较高的要求,总装设计在继承其他航天器成功经验的同时,充分分析望远镜的总装特点,采用“化繁为简”的思路,设计了HXMT卫星望远镜的总装方案,有效满足了望远镜的总装需求。

2.1 多种探测器电接口集成优化设计与实现

望远镜组成如图2所示。高能望远镜共有78台(套)设备,包含18套高能主探测器、18台高能准直器和标定探头、6台顶面反符合屏蔽探测器、12台侧面反符合屏蔽探测器、3台粒子监测器和3台在轨标定转接盒。中能、低能望远镜各3套设备。84台(套)设备安装在一个主支撑结构上,结构紧凑、集成度高,机械接口清晰明确,但是望远镜的高度集成化,也导致了各探测器电连接器分散在望远镜的各个方向上。经统计,整个望远镜的电连接器数量达到了93个。

图2 望远镜组成Fig.2 Composition of telescope

根据卫星构型布局设计方案,望远镜通过中板法兰安装在载荷舱承力筒上,18台高能主探测器在载荷舱承力筒内部,其他探测器在承力筒外部。望远镜安装后,舱外的探测器电缆将由各个探测器以“星”形向外扩展布局到望远镜主支撑结构中板,再沿支撑杆到载荷舱上,承力筒内的高能主探测器电缆只能在望远镜下板布局,经承力筒开口到舱内电子学设备。这种设计给总装带来极大的困难:①对于舱外的探测器来说,望远镜安装后,电缆通过支撑杆,探测器之间的间隙绑扎固定,操作极其不便,各探测器信号容易产生相互干扰,同时电缆对热控散热面也有不同程度的遮挡。②对于承力筒内的高能主探测器来说,望远镜安装后,需要到承力筒内去安装插接电缆,两舱对接后,望远镜基本无法拆装。③望远镜一次安装或拆卸时间不少于一周,极大地影响了科研生产效率。

基于此,本文对望远镜分散的电接口设计状态进行了集中布局优化设计,将望远镜舱外部分的电连接器集中布局在望远镜主支撑结构上板下表面的4个插头支架上,承力筒内高能主探测器的电连接器通过增加延长电缆布局到承力筒操作口处。同时,有效载荷设计师将望远镜电接点进行了合并处理,总装设计师对电连接器布局进行了优化,望远镜电连接器的数量由93个减少到45个,数量减少了51.6%。当望远镜拆装时,只需要将高能主探测器电缆与电子设备断开,经载荷舱承力筒操作口放入舱内。分别插接或断开舱外4个电缆支架及中能、低能望远镜上的电连接器,望远镜即可实现安装或拆卸,总装时间不超过1天,科研生产效率得到了显著提高。图3为望远镜电连接器优化设计结果。表1为望远镜电接口优化前后电连接器数量对比。

图3 望远镜电连接器优化设计结果Fig.3 Optimization results of telescope electrical connectors

表1 望远镜电连接器优化前后对比Table 1 Contrast of telescope electrical connectors before and after optimization

2.2 望远镜外热流抑制总装设计与实现

一般来说,空间天文卫星大多通过遮阳装置避免有效载荷受到太阳光直射,减少外热流对有效载荷的影响,保证有效载荷的低温工作环境。“詹姆斯-韦伯”空间望远镜(JWST)配置了可展开式遮阳屏保证有效载荷在轨低温工作要求[3];美国的“钱德拉”(Chandra)卫星配置了可展开圆形遮阳板,发射时收拢保证望远镜不受污染,在轨展开后确保望远镜不受太阳光直射[4];欧洲的“牛顿”(XMM-Newton)卫星通过固定式遮阳结构保证望远镜不受太阳光直射[5]。

HXMT卫星中能、低能望远镜同样具有低温工作要求(中能望远镜－50～－5℃,低能望远镜－80～－42℃),且外热流变化复杂。为避免望远镜受到太阳光直射,减小外热流对望远镜的影响,总装在卫星－Z侧设置安装了一块矩形碳纤维复合材料结构的固定式遮阳板。受整流罩空间限制,遮阳板包络尺寸设计为2100 mm×1500 mm,可确保望远镜在太阳光与卫星YOZ面±20°、与卫星XOZ面夹角±11°时免受太阳光直射。外表面包覆多层隔热组件,降低本体辐射,进一步保证望远镜低温工作环境。同时,矩形遮阳板构型方式简单,易加工,多层隔热组件实施方便,简化了生产、总装测试周期。

2.3 望远镜杂散光消除总装设计与实现

望远镜在工作时,除了接收到正常的X射线光子外,还会受到星光、地球或卫星本体的反射光等杂散光的干扰。杂散光的来源主要包括外杂光和内杂光两类。外杂光主要是视场外的太阳光经遮阳板和望远镜结构形成的杂散光。内杂光指望远镜结构和遮阳板的自发辐射直接或经结构散射到望远镜形成的杂散光。杂散光进入望远镜视场,会影响正常电信号的产生,严重时将无法处理观测数据,造成观测失败。为此,消杂光设计一直是望远镜研究和设计的重点,中能、低能望远镜通过设备遮光罩来消除杂散光的影响。同时,卫星遮阳板也需要特殊设计,以抑制杂散光进入望远镜视场。

文献[6]中介绍了光学系统杂散光的消除方法,提出要特别关注关键表面和被照射表面,尽量减小它们被照射的面积。文献[7]中介绍了卫星表面物质反射光对太阳敏感器的影响,认为在敏感器视场内尽量选择反射率低的热控材料(如黑膜),以显著降低卫星本体反射光对太阳敏感器的影响。基于上述思路,本文从抑制外杂光和内杂光两个方面提出遮阳板总装控制措施。①根据卫星多种飞行姿态时的太阳最大偏置角,对遮阳板边缘进行切边处理,减小太阳光在遮阳板边缘的反射面积,如图4所示。②采用反射率低的黑色多层隔热材料对遮阳板边缘进行包覆,消除内杂光对望远镜的影响,达到抑制杂散光的目的。经过1年多的飞行验证,望远镜在轨运行稳定,说明遮阳板消杂光控制措施合理有效。

图4 遮阳板消杂光设计Fig.4 Elimination design of stray light

2.4 望远镜总装全周期环境保障设计与实现

HXMT卫星望远镜采用高精度、高灵敏度的科学探测仪器,尤其是中能望远镜含有CCD器件,环境灵敏度高,对全周期总装环境提出了更高的要求。

(1)中能望远镜相对湿度必须控制在30%～50%。

(2)望远镜结构复杂,器件敏感,望远镜表面热控涂层在交付前均已实施到位,地面长期总装测试过程中需要采取防护措施,对望远镜及表面热控涂层进行保护。

(3)望远镜洁净度要求高,尤其在运输时,要求各种气、液污染物没有大于20 nm的微小颗粒。

一般来说,航天器控制分系统敏感器或活动部件有较高的地面环境控制要求,如地球敏感器、太阳翼驱动机构等要求地面存储湿度控制在30%～50%,总装大厅环境洁净度要求达到100 000级。在地面总装过程中,通过设计除湿加热回路实现湿度控制。对于环境要求更高、结构更复杂的HXMT卫星望远镜,总装从以下3个方面进行特殊设计,以满足望远镜的需求。

(1)从图2可以看出,HXMT卫星望远镜设备多而密集,热控要求高,装配流程复杂,难以实施地面除湿加热回路。针对该特点,为中能望远镜设计了特殊除湿工装,如图5所示。该工装由干燥剂盒和转接板组成,要求每天对干燥剂盒内温湿度进行监测和记录,每月更换一次干燥剂,有效保证了中能望远镜的湿度要求。

图5 中能望远镜湿度控制工装Fig.5 Humidity control tooling of medium energy telescope

(2)针对中能、低能望远镜分别设计了防污染保护罩(分为硬罩和软罩2种)。在地面总装测试过程中,安装硬罩保护设备及热控涂层不被磕碰;在运输过程中,安装软罩防止污染物进入望远镜内部。

(3)针对洁净度要求高的特点,制定专项运输方案,在装箱前、装箱后、公路运输、空运等各个环节都有严格的控制措施。尤其在空运时,为防止包装箱打开气压平衡口后造成包装箱内环境不可控的状态,专门设计了气压平衡口过滤窗,既能满足气压平衡口空气的流通率,又能达到望远镜防污染要求。

3 结束语

本文分析总结了HXMT卫星总装特点,介绍了适应其望远镜的总装方案,有效满足了望远镜的总装技术需求。对多种探测器的电接口进行集成优化设计,电连接器数量由93个减少到45个,同时总装时间也从1周减少到1天,总装效率显著提高。本文设置安装了一种可抑制外热流的特殊部件——遮阳板。对遮阳板的边缘进行特殊设计,从外杂光和内杂光两方面提出了抑制措施,有效地抑制了杂散光对望远镜性能的影响。在总装全周期进行了环境保障设计及实现,结果表明:总装设计方案简单,可操作性强,能有效满足HXMT卫星望远镜的需求。以上HXMT卫星望远镜的总装经验,可为未来由多种探测器组成的空间天文卫星的总装设计及实施提供参考。

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