北京三号B卫星构型布局设计与优化

唐斌 马灵犀 张一鹏 秦江 李腾飞 孟晓亮

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

北京三号A/B卫星是中国首次采用了超敏捷、超稳定、超高精度的三超平台技术、具备复杂敏捷动中获取影像能力的新一代遥感卫星,是国内唯一可实现任意地面轨迹目标成像能力的超敏捷卫星,在光学遥感卫星领域具备极强的竞争力。卫星采用全方位、任意航迹和可见光、多光谱成像手段,可为全球市场提供大量的高分辨遥感卫星数据和信息产品,为国土资源管理、农业调查、生态环境监测、城市综合应用等领域提供更高精度、更高效、更广泛的应用服务。

本文以北京三号B卫星作为设计对象,针对其任务特点与需求,在参考和继承敏捷遥感卫星平台的基础上[1-4],通过分析三超平台这一新技术特点,开展了卫星的构型布局设计与优化[5-7],提出了适用于三超平台的新一代敏捷遥感卫星构型方案。经卫星在轨验证,该构型设计满足了卫星的任务要求,实现了相关的任务指标,可为后续装备三超平台的同类卫星构型布局设计提供参考。

1 任务需求分析

北京三号A/B卫星作为国内首次采用三超平台技术、具备超高敏捷、超高稳定、超高精度获取影像能力的新一代敏捷遥感卫星,对卫星的构型布局设计提出了新的需求。

1)高分辨成像的需求

为实现卫星高分辨成像的要求,北京三号B卫星配置了具有超长焦距的大口径相机。其中载荷相机的自身尺寸会占据星上大部分空间,这就对卫星的构型设计、设备布局、总装设计等都提出了较高的要求。

2)相机高精度指向及快速稳定的需求

北京三号B卫星配备了三超平台,通过安装在相机与平台之间的指向隔振机构(VIPPS)进行主动控制,实现相机的精准指向与快速稳定控制。在进行构型设计时,需要综合考虑相机与平台之间的关系,从总体最优的角度出发,探索一体化设计方法[8-10],寻求满足布局空间且控制精度最优的构型方案。

3)卫星超高敏捷机动能力的需求

为了实现卫星超高敏捷成像的能力,一方面需要配备多台大力矩的控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,CMG);另一方面也要求卫星的转动惯量尽量小。因此在进行布局设计时,应充分考虑卫星的质量特性,尽量使卫星设备的布局均匀、紧凑。

2 构型布局设计方案

2.1 整星构型布局设计

依据任务需求,开展了北京三号B卫星的整星构型布局优化设计。在充分考虑大口径载荷相机和指向隔振机构的特点、星上各分系统设备的安装布局要求、电源分系统对太阳翼电池阵面积的需求、热控相关技术要求、以及敏捷型遥感卫星需要整星转动惯量尽量小、总装操作应方便可靠等相关要求的前提下,北京三号B卫星整体采用了六棱柱型的敏捷卫星构型形式,如图1所示。该六棱柱式的卫星构型具备以下特点。

图1 北京三号B卫星构型示意图

(1)布局紧凑,提高了卫星敏捷能力。卫星以载荷相机为中心,平台设备围绕在其四周进行布局,能够很好的缩短设备与卫星轴线之间的距离,从而降低整星的转动惯量,获得更好的敏捷性能。同时,北京三号B卫星星上设备较多,采用六棱柱的构型方式能够为设备提供更多的安装平面,更好地利用星上空间,布局也会更加均匀、紧凑;与多棱柱的构型相比,六棱柱构型下单板能够提供更大的设备安装面面积,且单板尺寸与卫星平台设备的单机尺寸匹配性更好,对设备布局的限制也会更少。

(2)有利于太阳翼周向布局的设计。北京三号B卫星六棱柱型的构型形式,可以方便地对太阳翼进行周向布局设计。针对电源分系统所提出的8.4m2太阳翼电池阵面积要求,该构型形式能将其分解为3个2.8m2太阳翼电池阵,并间隔120°分布,从而减小单个太阳翼展开状态下的外形尺寸,同时将太阳翼设计为带有刚性支撑的结构形式,通过撑杆与厚侧板相连,提高了太阳翼展开时的刚度,消除电池阵转动对成像和控制系统的影响,降低太阳翼柔性对卫星姿态稳定的扰动。此外六棱柱的构型形式可实现3个太阳翼与3个星敏感器的间隔布局,有效地保证了星敏感器的视场需求。

(3)提升了总装可操作性。北京三号B卫星采用了3块厚侧板与3块薄侧板间隔布置的设计。厚侧板作为卫星主承力结构的一部分,用于布置平台设备及太阳翼,其在总装测试的大部分时间里处于合板状态;而3块薄侧板则不布置设备,在总装测试阶段可以暂时拆下,用工艺侧板代替。因此在进行总装操作时,保证了3个开放的总装操作窗口,可以方便地从厚侧板两侧进行设备拆装、电缆插拔与绑扎以及舱内状态确认等工作,有效地减少了卫星开合板次数,提升了总装操作的便捷性,优化了总装操作流程。

通过分析相机载荷、指向隔振机构等的安装要求,北京三号B卫星采用了“中心承力筒+箱板”的结构形式。中心承力筒作为主要的承力结构,强度高、稳定性好,而箱板结构则为仪器设备提供了良好的安装面,两者相结合,既保证了结构强度要求,又为设备提供了更加灵活、充分的布局空间。

相机为立式安装,相机主承力板仅通过沿圆周间隔分布的3组解锁器和3组指向隔振机构与中心承力筒上端面直接连接,该安装方式合理利用了复合材料中心承力筒的优势,为载荷与指向隔振机构提供了高强度、高稳定性的安装平面,降低了结构变形对成像质量的影响,同时也使载荷与结构的连接形式更加简洁,避免载荷与平台产生过多耦合。相机后光学的突出部分尺寸体积较大,该布局形式可以使其沉入到承力筒内部,充分利用了星内布局空间。承力筒的下端框设计为对接环的形式,与运载直接对接,实现了载荷与运载器之间的传力,传力路径直接有效。

70L大容量贮箱通过支架安装在承力筒的下半部分,既保证了足够的安装强度,又缩短了与卫星轴线的安装距离,满足大容量贮箱中心轴与相机光轴尽量重合的要求,降低了卫星转动惯量。

此外,卫星配备了5个大输出力矩的CMG组成陀螺群,通过支架安装在中心承力筒的外壁上,既满足了五棱锥空间构型的要求,又充分利用了卫星平台舱的可用空间,使卫星整体结构紧凑,惯量更小。承力筒结构在CMG支架安装位置均设置了桁条,保证了其安装刚度;同时CMG支架与结构连接部分加装了隔振垫,减小了微振动对姿态测量精度和卫星成像质量的影响。

2.2 载荷、平台、VIPPS一体化设计

为了更好地实现卫星超敏捷机动、超精准指向、超快速稳定及高质量成像的设计目标,北京三号B卫星以高分辨率载荷相机为中心,以卫星总体最优为出发点,充分考虑了结构布局、传力路径、光机电热综合设计、敏捷机动性等因素,对相机载荷、平台以及指向隔振机构进行了一体化设计,如图2所示。

图2 载荷平台一体化设计示意图

1)载荷平台的一体化设计

为提升图像定位精度及图像几何质量,需要统一测量与观测基准,因此北京三号B卫星对星敏感器、测微敏感器与载荷相机进行了一体化的构型及安装设计。

星敏感器通过支架直接与相机主承力结构固连,保证星敏感器与相机主体具有统一基准结构。该方式有效地缩短了星敏感器与相机之间的结构路径,减少了因坐标转换导致的相对位置关系误差;同时对其开展机热一体化设计,采用热膨胀系数小、热适应强的材料,尽量减小支架的热变形,将变形对星敏感器与载荷相机一致性的影响降到最小,保证星敏感器光轴与相机光轴之间具有相对稳定的位置关系,进而获得更高精度的指向测量数据。

测微敏感器也直接安装在相机主承力板上,缩短了姿态测量部件与载荷成像坐标系之间的传递环节,提高了姿态测量精度。

2)载荷、结构、VIPPS的一体化设计

VIPPS作为三超平台的核心,控制带宽高,响应快,能够抵消微振动干扰,具备在卫星机动后短时间内实现载荷光轴稳定的能力。VIPPS的精指向调节也是以载荷光轴作为测量与控制的基准,因而需要尽量消除VIPPS作用轴线与载荷光轴之间的偏差,以提高控制精度。

为提高与相机光轴的重合度,指向隔振机构作动器顶支架直接与载荷相机的主承力板刚性连接,减少了两者之间的结构路径,提高了相对稳定度。指向隔振机构底板则与刚度较好的中心承力筒结构连接,尽量降低因结构力热变形对轴线偏差的影响。同时为了保证指向隔振机构的高精度安装要求,其安装面与承力筒上端框采用一体化设计,通过部装阶段组合加工来保证结构安装面的平面度和平行度,并借助钻模板配打的方式加工出安装孔。结构的高精度加工进一步降低了因设备实际安装误差造成的VIPPS作用轴线的偏差。

通过载荷、平台的一体化设计,很好地缩小了卫星尺寸,降低了整星质量,使结构布局更加紧凑,转动惯量进一步降低,提升了卫星的敏捷机动能力。同时考虑VIPPS与载荷、结构的一体化设计,很好地满足了VIPPS的高精度安装要求,实现控制精度最优化,充分发挥出三超平台超高精度指向、快速机动稳定成像的技术优势。

3 上下舱段解耦设计

装备三超平台的北京三号B卫星以指向隔振机构为界面,将卫星划分为上、下舱段两部分。其中上舱段为载荷舱段,主要包括相机、星敏感器、测微敏感器等一体化设计形成的组合体,而卫星结构及其余设备等组成了下舱段,上下舱段通过指向隔振机构连接。为保证指向隔振机构在轨实现“快稳”指向,避免在作动器调节过程中发生上下舱段的碰撞或拉拽等问题,需要对上下舱段进行关键尺寸链分析及解耦设计。

3.1 关键尺寸链分析

由于指向隔振机构是以在轨微重力环境条件下开展设计的,其设计载荷较低,因此卫星在地面实验、发射入轨后直到相机解锁器起爆解锁前,相机主体是通过解锁机构与平台结构相连接,避免指向隔振机构承载。为保证安装时指向隔振机构不会承受载荷重力的作用,需要对关键尺寸链进行控制,包括指向隔振机构高度、相机解锁器高度、相机解锁器安装面到指向隔振机构顶面的高度间距等。

相机上星前,通过对关键尺寸进行校核与计算,得到指向隔振机构上安装面与其对应在相机主承力板安装位置之间的间距尺寸,确保该间距满足作动器行程限制,从而保证指向隔振机构在地面状态下既不会承载,也不会使作动杆过量拉伸,指向隔振机构安装后作动杆处于设计的零位状态,不影响在轨初始状态及动作行程。

在轨飞行状态下,需要对载荷舱段进行运动干涉分析。其中解锁器作为上下舱段之间的关键部件,其解锁后的间隙需要满足指向隔振机构运动行程的要求。考虑指向隔振机构处于极限行程状态下,即相机处于最大倾斜状态时的解锁器上下部分之间的最小间距,令其中一台指向隔振机构处于最大正行程+δ,另外两台指向隔振机构处于最大负行程-δ,此时可以获得在相机主体处于最大倾斜角下解锁器上部分的最大偏移量。解锁后解锁器上下部分之间的最小间距应当大于该最大偏移量,保证解锁后上下舱段间无干涉风险。

将隔振机构最大运动行程δ以及上下解锁器解锁后的间隙作为关键尺寸,进行相应的运动干涉分析与校核,很好的确保了指向隔振机构在轨工作时载荷舱段不会发生碰撞与干涉。

3.2 上下舱段力解耦

为了避免相机在轨解锁后,指向隔振机构在其作动范围内作用时,上下舱段之间发生电缆、热控多层以及热管的碰撞、扯拽等耦合问题,产生额外的干扰力矩,从而影响三超平台的指向精度及快速稳定成像的能力,需要对上下舱段进行力解耦设计。具体的控制措施包括:

(1)上下舱段间电缆的力解耦。整理上下舱段之间连接的电缆时,对其在载荷上最后一处绑扎点到平台上第一处绑扎点之间的电缆束,即电缆运动段部分,需要预留一定长度的余量。余量长度应适度,若长度余量过短,可能会存在残余的附加应力;若长度余量过长,则可能会因为绑扎不到位等产生钩挂风险。同时,也应注意运动段电缆的弯曲方向,尽量使电缆处于一个自然的弧度,避免因电缆弯曲产生应力。对于成束的电缆,应将大束分解成小束,分散铺设,并按上述要求进行解耦处理。此外,还应确保电缆活动区域与周围设备之间的安全距离,防止发生电缆钩挂或挤压等问题。

(2)上下舱段间的热解耦。相机载荷设置独立的综合散热面,与相机主体进行了一体化设计,散热面安装在相机主结构的支撑臂上,通过支撑臂伸出星体悬于舱外,相机热管、散热面不与星体连接,既满足了相机独立散热的要求,又实现了与卫星平台的解耦。为避免相机主承力板负载过多,部分散热面辅助安装在卫星结构板上,此处为实现力热解耦,卫星采用柔性热管的方式来实现。柔性热管的力解耦与电缆束解耦的方式类似,但由于柔性热管不是完全塑性的,在试装调整好特定走向后,尽量保证后续操作中不再改变热管形状。

(3)热控多层间的解耦。对于舱段间的热控多层,包括相机与固定式遮光罩、综合散热面与结构板、星敏感器与结构板之间的多层等,需要预留足够间隙以保证上平台具有足够的运动空间,避免多层拉拽产生额外力矩。其中星敏感器与结构板之间、相机遮光罩与前镜筒之间的热控多层采用了类似门帘的搭接设计,既实现了热控多层的紧密贴合,又保证了载荷舱段的自由运动。

4 设计验证

1)整星刚度验证

北京三号B卫星的构型布局及“中心承力筒+箱板”的结构形式经过了整星振动试验的验证,整星横向基频为20.8Hz和20.0Hz,纵向基频为55.4Hz,且卫星的力学性能在振动试验前后变化很小。同时通过对卫星进行振后精度复测,所有精测结果均满足要求,验证了结构在振动环境中保持精度的能力。北京三号B卫星的成功发射也证明了卫星结构承受发射环境的能力。通过振动试验结果及卫星成功发射的验证,表明了卫星整体刚度良好,构型布局设计满足要求。

2)小惯量设计验证

通过卫星质量特性测试试验与分析计算,北京三号B卫星实现了在轨最大转动惯量小于1100kg·m2的目标,验证了卫星高敏捷、小惯量的设计。

3)载荷与三超平台布局验证

经过北京三号B卫星在轨飞行验证,载荷状态工作良好,提供了大量高质量的图像数据。卫星在轨敏捷姿态角速度可达10(°)/s,是我国第一代敏捷卫星的3倍。同时三超平台大大缩短了在轨光轴快速稳定的时间,能够极短时间内实现0.005″的稳定度。

卫星良好的在轨表现也验证了装备三超平台卫星的构型布局合理可靠,上下舱段解耦正常,充分发挥了三超平台超高精度、超稳定、超敏捷的优势。

4)总装设计验证

北京三号B卫星经过了整星电测、大型试验、发射场等多阶段的总装工作,未发生操作困难等问题。其中三块薄侧板能够处于常开板状态,提升了卫星总装操作的便捷性,有效减少了开合板次数。通过整星AIT全过程验证,证明了卫星构型布局具备良好的总装可操作性。

5 结束语

本文围绕北京三号B卫星的任务需求,为充分发挥三超平台的技术优势,实现卫星超敏捷机动、高精度光轴指向及快速稳定的能力,保证高分辨率的成像质量,开展了整星构型布局设计与优化。在满足构型布局设计基本原则的基础上,进行了小惯量布局的优化设计,开展了载荷、平台、指向隔振机构的一体化设计,并对上下舱段进行了解耦分析,设计结果满足卫星总体与各分系统的相关设计要求,保障了卫星在轨成像性能,也为后续装备三超平台的卫星构型布局相关设计提供参考与借鉴。