极高星敏SiC/Al主法兰微形变设计制造与性能评价

2022-11-24王晓燕王苗苗王艳宝

航天制造技术 2022年5期

王晓燕李林白山钟俊隋杰王苗苗王艳宝

王晓燕李林白山钟俊隋杰王苗苗王艳宝

（北京控制工程研究所空间光电测量与感知实验室，北京 100190）

极高星敏主法兰采用SiC/Al复合材料开展设计，通过多点对称辐射分布式子柔性单元布局方式实现主法兰的微形变，以保证其高刚度和高稳定性。探讨了多点对称辐射分布式柔性结构的刚度问题，对多点对称辐射分布式柔性主法兰进行轻量化设计，获取最佳结构分布，实现了极端力、热环境下SiC/Al主法兰微米尺度形变设计与制造；通过工程分析和试验完成了主法兰的性能评价，结果表明主法兰相对变形为9μm、热稳定为0.05″/℃，基频为160Hz，柔性单元位置的应力为76MPa，消除了整机力热试验低频漂移和高频紊乱现象，整机具有较高的力热环境适应性。

极高星敏；主法兰；SiC/Al复合材料；微形变

1 引言

星敏感器和空间目标监视相机是空间指向测量技术实现的典型高精度仪器载体。目前美国BALL公司研制的HAST敏感器[1]，姿态指向测量精度可达0.04″，也是世界上精度最高的星敏感器。Lockheed Martin公司的一体化敏感器AST301[2]精度达到0.5″，北京控制工程研究所研制的超高精度敏感器已在轨实现0.2″精度[2]。这类高精度指向测量敏感器多采用分体式结构以保证高稳定与低热漂移。

主法兰作为星敏感器的基础性结构[3]，为整机提供安装基础和支撑，并作为对外安装的机械接口，在特定安装形式下，需要具有较高的刚度、强度，同时应具备很好的动、静态力学稳定性和热适应性[3～6]。SiC/Al复合材料除了具有基体金属具备的良好的抗冲击性能、抗疲劳性能、导热性能、导电性能和抗断裂性能以外，还具有较高耐磨性能和较低热膨胀系数，其材料强度、刚度都很高[7，8]，非常适用于极高星敏主法兰的设计制造。此外，柔性支撑结构通过特殊设计可有效释放结构产生的形变[9]，通过对主结构进行柔性多参数优化设计，使其具备力学稳定性的同时，满足热环境变化的影响问题，通过结构柔性环节进行应力、应变释放，以满足极高星敏的高稳定需求。SiC/Al复合材料具有良好的比刚度和热稳定性，可用以开展极高星敏的主法兰设计、制造。

极高星敏作为我国目前精度最高的星敏感器，指向测量精度达到0.1″，针对极高星敏主法兰开展了微形变设计，对SiC/Al复合材料进行了轻量化，通过分布式柔性单元刚度特性进行了探讨，设计了具备良好力、热稳定性的主法兰结构，完成了主法兰的生产制造，通过工程分析和试验验证了主法兰的性能评价。

2 SiC/Al主法兰设计与制造

2.1 主法兰刚度

多点对称辐射分布式柔性主支撑结构可看做具有多个刚性和阻尼系数的柔性阻尼系统，每一个柔性环节看做一个单元，每个单元具有三个互相垂直方向上的刚度，如图1所示，即分别沿轴、轴、轴方向的刚度，主结构平行于极高精度光学仪器坐标系轴，沿切线方向，沿径向方向[10]。

图1 多点对称辐射分布式柔性原理示意图

分析可知，多点对称辐射分布式柔性结构的耦合刚度为零[10]，对称辐射分布的子单元可以实现极高星敏系统输入平动方向和转动方向的形变解耦。

2.2 参数化设计

柔性结构设计通常分为两种模型：集中柔性与分布柔性，如图2所示。通常情况下，集中柔性提供了较大的轴向刚度，使得径向刚度很大的同时存在应力大的问题，而分布式柔性所承受的载荷分布于柔性全环节，改善了应变与应力的分布环境。

图2 集中柔性（左）与分布柔性（右）原理示意图

本文提出的多点对称辐射分布式柔性主结构具有多个相同的柔性环节，每个柔性环节具有不同的参数，如图3所示。主结构承载了整机的全部有效载荷，重量为18.2kg，图3中建立了以主结构几何形心为圆心、横轴/轴及平面法线为轴的坐标系。l表示柔性单元F距离点的径向距离，M,N分别表示柔性单元在坐标系中的坐标，θ表示柔性单元F与轴夹角。柔性单元F具有回转半径F和两侧的欧拉梁，两侧欧拉梁的长度分别为l1, l2，其对应的宽度和厚度分别为A1, B1和A2, B2。这些参数为主法兰设计及性能评价的核心指标。

图3 参数定义

2.3 成型制造

图4 主法兰3D模型

通过光机热联合仿真设计[6]，最终设计的极高星敏主法兰结构如图4所示，结构核心参数见表1，柔性单元距离法兰中心128mm、168mm，欧拉梁长度6mm，欧拉梁对应的宽度分别为7mm、26mm，柔性单元回转半径26mm。完成了主法兰的设计成型。

表1 主结构柔性单元参数 mm

图5 SiC/Al复合材料加工后表面示意图[8]

图6 加工成型后的SiC/Al主法兰

SiC/Al复合材料由铝基体和SiC颗粒组成，材料硬度高、脆性大，属于难加工材料[11]，加工过程容易出现SiC颗粒的残留与切出，表面会产生凸起与凹坑，如图5所示，使加工表面质量变差；同时，在切削过程中，切削应力与热应力作用下材料的非弹性变形功转化为热能，热膨胀进一步引起工件结构变形，加剧结构产生非弹性变形能[12]，这将影响主法兰结构的精度和稳定性。为保证主法兰刚度，同时保证安装面具有足够高的平面度，在安装位置处进行改进设计，每个安装点位置凸台高度0.5mm，在主法兰加工成型后，通过研磨方式实现安装面的精度要求。最终加工成型的主法兰如图6所示。

3 性能评价

3.1 工程分析

工程分析可在设计阶段对极高星敏的整机设计状态进行仿真，分析其薄弱位置的力学特性，并能够评价整机的热性能，图7给出了极高星敏主法兰在极端力学环境下的力学响应情况，最大形变6μm，横向、纵向基频分别为160Hz、319Hz，满足使用需求。

图7 工程分析结果

3.2 试验

为了验证极高星敏主法兰的稳定性，对设计后的极高星敏进行了极端环境力、热试验，试验现场如图8所示，试验后对主法兰进行形变测量，结果表明极高星敏主法兰的相对变形为9μm、热稳定为0.05″/℃，满足空间指向0.1″的使用需求。同时该多点对称辐射分布式柔性设计消除了力热低频漂移和高频紊乱现象，整机具有较高的力热稳定性。

图8 试验现场

4 结束语

针对极高星敏空间极高精度指向测量需求，分析了其力、热极端环境下主法兰高稳定性的影响因素：光学镜头安装界面的相对变形和光学指向指标。在此基础上，采用SiC/Al复合材料开展主法兰的设计制造。仿真分析和试验结果表明，SiC/Al主法兰光学镜头安装面的相对变形为9μm、热稳定为0.05″/℃，具有良好的力热稳定性。主法兰采用SiC/Al复合材料设计制造可在同类产品中进行推广。

1 Michaels D, Speed J. Ball aerospace star tracker achieves high tracking accuracy for a moving star field[C]//2005 IEEE Aerospace Conference, 2005: 1～7

2 袁利，王苗苗，武延鹏，等. 空间星光测量技术研究发展综述[J]. 航空学报，2020，41(8)：7～18，2

3 余成武，隋杰，陈超，等. 高分七号卫星多探头甚高精度星敏感器热设计与验证[J]. 航天器工程，2020，29(3)：144～150

4 江帆，吴清文，王忠素，等. 星敏感器支架的结构/热稳定性分析及验证[J]. 红外与激光工程，2015，44(11)：3463～3468

5 李林，王栋，谭陆洋，等. 微小卫星星敏感器支架的优化设计与试验[J]. 光学精密工程，2016，24(6)：1352～1358

6 隋杰，程会艳，余成武，等. 星敏感器光轴热稳定性仿真分析方法[J]. 空间控制技术与应用，2017，43(4)：37～41

7 周艳华. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料主要制备技术[J]. 工具技术，2017(4)：7～10

8 王旭. 铝基碳化硅微切削仿真方法及表面完整性研究[D]. 长春：长春理工大学，2019

9 刘婧，余成武，钟红军，等. 高精度星敏感器遮光罩柔性支撑结构设计与分析[J]．空间控制技术与应用，2018，44(6)：1～55

10 李林. 一体化高分辨率光学卫星飞轮微振动机理与抑制方法[D]. 北京：中国科学院大学，2018

11 董辉跃，柯映林. 铣削加工中薄壁件装夹方案优选的有限元模拟[J]. 浙江大学学报（工学版），2004，38(1)：17～21

12 葛英飞，徐九华，杨辉. SiCp/Al复合材料超精密车削切屑形成机制及形成过程模型[J]. 兵工学报，2015，36(5)：911～920

Design, Manufacture and Evaluation of Micro-deformation of SiC/Al Main Flange for Ultra-high Star Tracker

Wang Xiaoyan Li Lin Bai Shan Zhong Jun Sui Jie Wang Miaomiao Wang Yanbao

(Space Optoelectronic Measurement and Perception Lab., Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

The main flange is designed with SiC/Al material, and micro-deformation of main flange is realized through muti-point symmetric radiation distributed flexible unit layout to ensure its good performance. The stiffness of muti-point symmetric radiation distributed flexible structure is discussed, and the lightweight design is carried out, which realizes the micro-deformation design and manufacturing. Engineering analysis and experiment is carried out to further proved the performance of main flange. The results show that the micro-deformation of SiC/Al main flange is 9μm, thermo stability is 0.05″/℃, first order frequency is 160Hz, and the stress in flexible unit is 76MPa. This method eliminates the low-frequency drift and high-frequency disturbance of the response curves.

ultra-high star tracker；main flange；SiC/Al；micro-deformation