直接转移方式的木星探测器构型设计及轻量化

2020-04-22耿志卿陈昌亚陆希李彦之

机械制造与自动化 2020年1期

耿志卿，陈昌亚，陆希，李彦之

(1. 上海卫星工程研究所，上海 201109； 2. 上海深空探测技术重点实验室，上海 201109)

0 引言

木星探测是国际深空探测的重点，国际上从1972年开始已开展了9次涉及到木星的探测[1]，其中除伽利略号和朱诺号探测器外，其余皆为对木星的飞掠探测任务[2]。在未来的木星探测规划中，NASA和ESA分别预计在2022年发射木卫二快帆号[3]和木星冰月探测器[4]。我国深空探测的步伐也在不断向前迈进，在未来30年的深空探测专项中提出了木星系探测任务。

根据转移轨道的不同，木星探测可分为直接转移与天体借力转移两种方式。采用直接转移能够极大地缩短地木巡航段的飞行时间，较大限度提高从业者的期望度以及环绕探测段的时间占比，从而获得更多的科学产出。但是，由于直接转移方式的轨道特点及木星环境的特殊性，探测器构型设计与传统火星及月球探测器相比，主要存在以下难点：1) 奔木轨道的速度增量大(主要为GTO转移段)，导致探测器燃料占比高，可承载质量小。2) 木星轨道上太阳辐照弱，导致帆板面积大。3) 在轨环境的高能辐射强，危害到器内单机。4)地木深空通信距离远，需具备大口径高增益天线。因此，基于多约束下探测器的构型设计，可为后期的木星探测方案提供一定的参考依据。

在探测器质量确定的前提下，采用结构优化可有效提高承重比，实现整器的轻量化。目前，卫星的结构优化设计主要关注于拓扑优化和尺寸优化两方面。袁家军[5]等基于Patran/Nastran采用铺层尺寸优化对两个卫星结构进行优化，有效地降低卫星整体质量。徐皓[6]等通过最小柔度的拓扑优化和多目标优化并结合采用分步优化方法，实现卫星结构各工况下的有效减重。谭陆洋[7]等对蜂窝夹层进行铺层尺寸优化设计，通过对铺层的角度和厚度进行两次优化从而降低光学小卫星相机次镜上的随机响应。陈靖[8]等通过对卫星主承力结构进行尺寸和材料优化实现小卫星的轻量化。

本文基于木星探测器直接转移方案设计了3种木星探测器构型。采用Patran/Nastran软件进行有限元仿真，分析3种构型的质量及基频模态特性并选择较优构型。采用OptiStruct优化软件对整器进行以铺层及中芯层厚度为设计变量的尺寸优化。以最小柔度为目标函数对探测器隔板进行局部拓扑优化。针对优化后结果，考虑运载条件进行整器的基频验证。

1 探测器构型设计及优选

1.1 探测器构型设计

由于直接地木转移轨道所需的C3能量较大及GTO转移段速度增量大，考虑现有运载能力，拟采用CZ-5作为运载(图1)，搭载大型推进舱。整器质量分配如表1所示，探测器质量包络为1350kg，采用3.5m大口径高增益天线，其帆板面积为43.5m2。同时，探测器采用钛合金辐射罩将重要的电子单机进行集中防护。根据文献[9] ，探测器需要满足运载发射条件：横向基频>6Hz，纵向基频>20Hz。

图1 探测器大型推进舱及运载

表1 整器质量分配表

参考风云系列卫星及火星探测器，提出了两翼式方型及三翼六边型构型，如图2所示，并根据探测器主承力方式的不同，基于三翼六边型外形又提出一体化及承力筒式构型，其一体化构型体现在将辐射屏蔽箱板与各板结合作为探测器的主承力方式。

图2 木星探测器构型设计

1.2 质量模态分析及构型选择

采用Patran/Nastran进行有限元建模。其中根据卫星结构特点进行了以下简化：

1) 探测器除屏蔽舱外皆为铝蜂窝夹层板。其中：卫星底板、贮箱安装板、隔板及承力筒厚度为30mm，面板采用碳纤维M55J/AG80，铺层角度为[0,90] ，各铺层的单层厚度皆为0.4mm，镜面对称方式铺设。太阳翼基板、顶板，载荷板及四周侧板厚度为20mm，铺层材料及角度与上面相同，各铺层的单层厚度为0.1mm。防辐射屏蔽箱侧板为6mm厚的钛合金板。

2) 铝制太阳翼连接架、压紧装置、桁架及贮箱端框采用梁模型。

3) 高增益天线等质量较大的设备采用中心质量点来模拟，并通过MPC连接到相应的板安装区域，其余质量较小的单机作为无结构质量分布于相应的结构板上。

通过建立有限元模型得到3种构型探测器的质量特性，并进行模态分析得到基频如表2所示，相应的基频振型见图3。

表2 3种构型对比表

图3 3种木星探测器构型的基频振型

由表2给出的3种构型的基频及质量特性可知，3种构型皆满足质量包络，其中两翼式构型的质量为三者中最小，质心高度较低，具有一定的质量优势。但是，其基频较低，特别是一阶纵向基频低于20Hz，刚度性能较差。将三翼承力筒构型与一体化构型相比可知，两者的结构质量及质心高度相当。但是，承力筒构型的固有频率相对较高，刚性性能较优，具有较大的可优化空间，且由于探测器放置于大型推进舱上部，其组合体的整体固有频率将会下降。所以，为保证工程的安全性选取固有频率较大、刚性较好的三翼式承力筒构型作为初步设计的探测器构型。

2 探测器结构优化设计

三翼承力筒式探测器的整体质量接近最大总量包络，且结构的横向基频较大。因此，针对探测器的整体结构进行基于铺层及中心层厚度的尺寸优化以及对图2(c)中的隔板开展探测器的局部结构拓扑优化，得到更为轻质的探测器结构。

2.1 尺寸优化

如表3所示，将各结构复合材料板的铺层及中芯层的厚度作为设计变量，目标函数为探测器整体质量的最小值。将探测器的整体基频、结构的安全域度及相应设计变量的变化范围作为约束，采用数学形式可以将优化模型表示如下：

(1)

式中：Ti为设计变量，为各板不同方向铺层厚度；M为整星质量；MR为面板的最小安全裕度；f1为一阶基频；上标l和u分别代表变量的取值下限和上限。

基于OptiStruct软件进行铺层优化分析得到图4-图6的迭代曲线以及表3各结构板的设计变量的优化，并根据工程圆整后的最终值结果如下：

由图4和图5可知探测器总质量经过7次的迭代从1349kg下降到1314.4kg，探测器结构质量从112.5kg下降到77.9kg，结构占比从8.34%减少为5.93%，优化效果较为理想。从图6可知随着各板厚度的减小，探测器刚度有所下降，基频从11.2Hz下降到10.01Hz。如表3中考虑铺层工艺技术，取0.1mm的精度进行圆整。圆整后探测器最终质量为1318kg，结构质量从112.5kg下降到81.5kg，降低了31kg(27.6%)。