衛(wèi)星高精度載荷安裝平臺熱變形隔離技術(shù)研究

王志國 彭海闊 滿孝穎 馬超

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

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衛(wèi)星高精度載荷安裝平臺熱變形隔離技術(shù)研究

王志國 彭海闊 滿孝穎 馬超

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

針對我國高分辨率衛(wèi)星對結(jié)構(gòu)在軌變形的控制要求，提出了一種基于柔性連接的衛(wèi)星高精度載荷安裝平臺熱變形隔離控制方法，從理論上對該方法進行了分析，并以型號應(yīng)用為背景進行了驗證方案設(shè)計及試驗驗證。驗證結(jié)果表明，在同樣的加載條件下，柔性連接載荷安裝基板變形相對剛性連接降低了近1個數(shù)量級，表明通過對衛(wèi)星平臺與有效載荷安裝基板之間連接結(jié)構(gòu)剛度的柔性設(shè)計，能夠有效避免衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)的熱變形作用于有效載荷安裝基板，使得高精度載荷安裝基板不致產(chǎn)生明顯的翹曲變形，從而保證安裝基板上各敏感載荷的在軌指向相對變化滿足指標(biāo)要求。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)；高精度；柔性連接；熱變形；隔離技術(shù)

1 引言

高分辨率是太空觀測和對地遙感衛(wèi)星發(fā)展的重要趨勢，直接決定了發(fā)現(xiàn)、識別、確認(rèn)、跟蹤目標(biāo)種類和概率。目前，代表性的高分辨率遙感衛(wèi)星有美國鎖眼-12(KH-12)軍事偵察衛(wèi)星、詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)等[1]。然而由于衛(wèi)星在極端空間環(huán)境條件下運行，衛(wèi)星在軌熱變形成為影響新一代高分辨率遙感系統(tǒng)成像性能的關(guān)鍵問題[2]。

對高分辨率對地遙感衛(wèi)星而言，由于受日照交變以及季節(jié)的影響，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)溫度環(huán)境波動較大，有效載荷及其安裝基板會產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致有效載荷指向發(fā)生變化，影響衛(wèi)星在軌成像和定位性能。為減小熱變形對衛(wèi)星性能的影響[3]。針對引起熱變形的原因可以采用多種方式對衛(wèi)星在軌熱變形進行控制，如采用具有低熱膨脹系數(shù)的材料、對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進行“零”膨脹設(shè)計、控制溫度梯度等。對于光學(xué)成像衛(wèi)星而言，對有效載荷影響較大的直接原因為載荷安裝基板翹曲變形。為控制高精度有效載荷安裝基板的翹曲變形，安裝基板結(jié)構(gòu)通常設(shè)計為高剛度結(jié)構(gòu)抵抗熱變形，但是，相比于有效載荷安裝基板難以無限地加強剛度設(shè)計而言，較為簡便的方式是改善有效載荷安裝基板與衛(wèi)星平臺之間的連接關(guān)系，使其具有較強的溫度適應(yīng)性[4]，從而保證有效載荷安裝基板不出現(xiàn)或盡可能少地出現(xiàn)翹曲變形。如美國在JWST[5-6]研制的過程中，對太空望遠(yuǎn)鏡的在軌變形進行分析和預(yù)測，并大量采取低變形材料和柔性連接裝置對結(jié)構(gòu)的熱變形進行控制。

國外的研究機構(gòu)對柔性連接控制航天器結(jié)構(gòu)平臺在軌熱變形方面做了大量的研究工作，在工程應(yīng)用方面已經(jīng)比較成熟，而國內(nèi)采用柔性連接進行熱變形控制主要集中于各類遙感儀器、天線、空間反射鏡等，而在高精度航天器有效載荷安裝平臺的在軌熱變形控制方面還缺乏較為系統(tǒng)的研究。

本文提出了一種采用柔性連接技術(shù)對高精度載荷安裝平臺進行熱變形控制的方法，從理論上對該方法進行了分析，并研制實物樣機，進行試驗驗證。本文采用的柔性裝置為螺旋彈簧，具有結(jié)構(gòu)形式簡單，易于工程實現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢。

2 熱變形隔離原理

從整體上看，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)可以分為衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)和有效載荷安裝基板兩大部分。對結(jié)構(gòu)進行熱變形分析時，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)離散的準(zhǔn)靜態(tài)熱變形方程[7]可以寫為

(1)

由方程組(1)可得

(2)

可以看出，節(jié)點位移向量{δ1}和{δ2}通過有效載荷安裝基板和衛(wèi)星平臺之間的連接而耦合，其耦合特性由剛度矩陣K12決定。衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)各板通常由鋁合金蜂窩板制成，具有較大的熱變形{δ2}，當(dāng)有效載荷安裝基板和衛(wèi)星平臺之間的剛度矩陣K12中耦合項相對較大時，在式(2)中耦合力-K12δ2將成為作用在{δ1}上的主要外力，引起有效載荷安裝基板產(chǎn)生較大的熱變形。

由式(2)可知，增加有效載荷安裝基板的剛度K11或者減弱衛(wèi)星平臺與有效載荷安裝基板之間的耦合剛度K12都能減小有效載荷安裝基板的熱變形。通常情況下，增加有效載荷安裝基板的剛度會增加較多的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并且熱變形改善效果有限；而通過設(shè)計合理的柔性連接結(jié)構(gòu)可以有效地降低耦合剛度，減小有效載荷安裝基板的熱變形。

從上述分析可知，安裝點數(shù)越少，結(jié)構(gòu)平臺的熱變形對有效載荷安裝基板翹曲變形影響越小，因此，理想地連接方式是有效載荷安裝基板與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)平臺僅通過一個安裝點連接，這樣，無論衛(wèi)星平臺(連接桿)的熱變形如何變化，光學(xué)基板始終確保載荷一體化運動，不會產(chǎn)生局部的翹曲，從而保證了光學(xué)相機性能不受熱變形的影響，如圖1所示。

圖1 有效載荷安裝基板與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)平臺理想的連接方式Fig.1 Ideal connection between instrument plate and satellite structure

分析理想的連接方式，可以看到，衛(wèi)星平臺頂板(可以看作是一個剛體)與有效載荷安裝基板(可以看作是另一個剛體)兩個剛體之間，當(dāng)僅存在一個固支約束點時，便可將兩個剛體之間的六個自由度全部約束，二者之間不能再有多余的約束存在，即耦合剛度矩陣非對角元素均為零。

由此，得到一個結(jié)論：為確保連接方式對光學(xué)基板不產(chǎn)生翹曲變形影響，連接點與光學(xué)基板之間只能有6個約束，分別是沿三個坐標(biāo)軸的平移約束和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)約束。這6個約束可以用彈性元件(三向平移彈簧和三向扭轉(zhuǎn)彈簧)來表示，如圖2所示。

但是，這種理想連接方式，假設(shè)光學(xué)相機質(zhì)量1000kg左右，與衛(wèi)星平臺的質(zhì)量相當(dāng)，僅通過一根連桿連接，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體頻率低于0.1Hz，這樣的連接方式對于控制系統(tǒng)來說，幾乎不可能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)控制。因此，在實際空間結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為保證在軌期間有效載荷和衛(wèi)星平臺所需要的連接剛度，難以實現(xiàn)理想的連接剛度矩陣。

本文的研究對象如圖3所示，可以看出，該結(jié)構(gòu)由衛(wèi)星模擬平臺頂板、支撐桁架、有效載荷安裝基板及柔性裝置等組成，其中柔性連接裝置安裝在支撐桁架與有效載荷安裝基板之間，用于起熱變形隔離作用。通過研究有效載荷安裝基板的連接方式和連接剛度，實現(xiàn)合理的剛度弱化，減小剛度矩陣耦合項的影響，從而降低有效載荷安裝基板的翹曲變形。

圖2 有效載荷安裝基板與衛(wèi)星平臺理想連接方式等價Fig.2 Ideal connection equivalents between instrument plate and satellite structure

圖3 高精度載荷安裝平臺熱變形隔離驗證樣機Fig.3 Thermal deformation isolation prototype for high-precision satellite platform mounted payload

3 連接方式與剛度設(shè)計

3.1 連接方式選擇

分析不同的連接方式與有效載荷安裝基板翹曲變形(整板平面度)的關(guān)系，確定了6種典型連接工況，如圖4所示，假定模擬平臺頂板產(chǎn)生熱變形，分析不同工況下，有效載荷安裝基板的翹曲變形情況。

各工況下，有效載荷安裝基板的翹曲變形結(jié)果如表1所示。

分析可知，連接桿數(shù)目越多，且安裝點數(shù)越多，有效載荷安裝基板越容易發(fā)生翹曲變形，6根桿、3個連接時相對24根桿-12點連接，基板翹曲變形能夠降低50%。

為進一步分析連接剛度的影響，基于3點連接模型，見圖4(e)，在連接部位設(shè)置梁(beam)單元，從梁單元剛性連接到剛度的不斷弱化，分別計算有效載荷安裝基板的翹曲變形。梁剛度設(shè)為12級，以材料的彈性模量大小模擬，分析結(jié)果如圖5所示。

從上述分析結(jié)果看，在有效載荷安裝基板同樣3點連接時，隨著連接剛度的不斷弱化，有效載荷安裝基板的產(chǎn)生的翹曲變形越小，但總體下降趨勢逐漸趨于平緩，從剛性連接梁到梁材料彈性模量取4×105Pa時，翹曲變形下降3個數(shù)量級。

圖4 不同的連接方式Fig.4 Different connections

連接方式翹曲變形/mm24根-12點連接0.6812根-12點連接0.5918根-6點連接0.5612根-6點連接0.456根-6點連接0.406根-3點連接0.33

圖5 梁不同剛度條件下分析結(jié)果Fig.5 Analytical results of the different connection stiffness

3.2 連接剛度設(shè)計

在3點連接的情況下，隨著連接剛度的不斷弱

化，有效載荷安裝基板的翹曲變形越來越小，但從工程實際考慮，連接剛度不能無限降低，當(dāng)連接剛度過低時，整個系統(tǒng)頻率會很小，這樣對衛(wèi)星撓性部件在軌正常工作是極為不利的。

衛(wèi)星上為了避免其它系統(tǒng)與衛(wèi)星姿態(tài)振蕩發(fā)生耦合，星上回轉(zhuǎn)部件的不平衡量必須經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)整，并規(guī)定衛(wèi)星其它部件的共振頻率必須大于姿態(tài)振蕩頻率。通常其它部件的共振頻率限制為4 Hz以上。

根據(jù)系統(tǒng)頻率大于4 Hz要求，取相機質(zhì)量1200 kg，考慮安裝基礎(chǔ)剛度的影響，縱向頻率暫取8 Hz，彈簧數(shù)量取3個，計算得彈簧縱向剛度應(yīng)為1 010 647 N/m，彈簧選擇簡單的螺旋形式，利用有限元法便可計算出彈簧的剛度矩陣，如表2所示，表中T表示拉(壓)剛度分量，R表示扭轉(zhuǎn)剛度分量。

有效載荷安裝基板采用3個彈簧連接，呈120°均布，節(jié)圓直徑Ф1560 mm，有效載荷質(zhì)心(定義坐標(biāo)系OXYZ)與彈簧安裝面(定義坐標(biāo)系OXiYiZi)距離800 mm，如圖6所示。將每個彈簧在自身坐標(biāo)系的剛度矩陣轉(zhuǎn)化到系統(tǒng)總體系，獲得整體的等價剛度矩陣[8]，如表3所示，表中T表示拉(壓)剛度分量，R表示扭轉(zhuǎn)剛度分量。

表2 單個彈簧的剛度矩陣

表3 整體的等價剛度矩陣

圖6 彈簧分布示意Fig.6 Diagram of spring distribution

4 有限元分析

4.1 模態(tài)分析

建立結(jié)構(gòu)平臺整體有限元模型，如圖7所示，經(jīng)分析，系統(tǒng)第一階頻率為4.627 Hz，滿足頻率大于4 Hz指標(biāo)要求，分析結(jié)果如表4、一階模態(tài)云圖見圖8。

圖7 結(jié)構(gòu)平臺有限元模型Fig.7 Finite element model of structure platform

Table 4 Modal results Hz

圖8 系統(tǒng)一階模態(tài)云圖Fig.8 Nephogram of the first mode

4.2 熱變形分析

結(jié)構(gòu)計算初始溫度20 ℃，在模擬平臺頂板下表面施加80 ℃的溫度場，在溫度載荷的作用下模擬平臺頂板產(chǎn)生翹曲變形，從而來模擬實際衛(wèi)星平臺在軌產(chǎn)生的變形。

通過6點剛性及3點柔性兩種連接工況的熱變形分析，獲得有效載荷安裝基板的平面度以及有效載荷安裝基板A點(區(qū)域約120 mm×120 mm)、B點(區(qū)域約120 mm×120 mm)兩個區(qū)域擬合平面的法向矢量相對變化指標(biāo)，用于評價翹曲變形指標(biāo)。分析模型如圖9所示，熱變形分析結(jié)果見表5所示。

圖9 熱變形分析有限元模型Fig.9 Finite element model of the thermal deformation

工況有效載荷安裝基板平面度/mm指向/(″)6點剛性0.430104.03點柔性0.0130.9

兩種工況下，有效載荷安裝基板變形云圖見圖10所示。

圖10 有效載荷安裝基板變形云圖Fig.10 Deformation nephogram of instrument plate

可以看出，采用3點柔性連接后有效載荷安裝基板變形下降約2個數(shù)量級，熱變形隔離效果十分明顯。

5 試驗驗證

5.1 試驗方案

試驗時模擬平臺頂板與停放工裝通過中間節(jié)圓Ф1000 mm上均布的48-M6螺釘連接，停放工裝再剛性固連到試驗場地地基上，如圖11所示。

圖11 熱變形試驗狀態(tài)示意圖Fig.11 Diagram of thermal deformation experiment

試驗時，對模擬平臺頂板下表面通過加熱片加熱、保溫層輔助控溫的方法施加溫度載荷。加熱，使得模擬平臺頂板在溫度載荷下產(chǎn)生較大的翹曲變形。通過施加相同的溫度載荷，分別測量剛性連接與柔性連接兩種狀態(tài)下，載荷安裝基板的翹曲變形。

5.2 變形測量方案

試驗時，通過兩種方法同時測量載荷安裝基板的變形情況，分別是自準(zhǔn)值經(jīng)緯儀指向測量和投影云紋法平面度測量。

1)基于自準(zhǔn)值經(jīng)緯儀的指向測量系統(tǒng)

自準(zhǔn)值經(jīng)緯儀能夠測出粘貼在載荷安裝基板上兩個棱鏡各自的俯仰角、偏轉(zhuǎn)角的的絕對變化情況，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，便可以計算出兩個棱鏡的相對變化情況，代表安裝在載荷安裝基板的兩臺載荷光軸指向的相對變形，這里主要關(guān)心法向變化量。測量方案如圖12所示。

2)基于投影云紋法的大平面微變形測量系統(tǒng)

通過光源在試件表面投影光柵，在圖像采集鏡頭的焦平面上安放參考柵就會幾何條紋(Moiré 條紋)。該條紋表征被測物體表面的初試形貌。當(dāng)其相貌發(fā)生變化時，試件柵的間距會隨之改變，從而造成Moiré 條紋間距的變化。通過對Moiré 條紋的處理，可以得到全場的形貌變化。投影云紋法測量方案如圖13。

圖12 自準(zhǔn)值經(jīng)緯儀測量方案Fig.12 Theodolite measurement scheme

圖13 投影云紋法測量系統(tǒng)Fig.13 Projection moire measurement system

5.3 試驗結(jié)果

熱變形試驗分兩種工況進行，分別是6點剛性連接和3點柔性連接，在衛(wèi)星模擬平臺頂板下方使用加熱片升溫至80 ℃，待溫度平衡后，測量有效載荷安裝基板的變形情況，試驗場景如圖14所示，熱變形測試結(jié)果見表6所示。

圖14 熱變形試驗現(xiàn)場Fig.14 Thermal deformation test

投影云紋法測得的離面位移反映了被測表面的法向位移，通過擬合獲得有效載荷安裝基板的平面度。兩種連接狀態(tài)下，測出的離面位移云圖如圖15所示，可以看出，3點柔性連接相對6點剛性連接，離面位移有較大幅度降低，且各區(qū)域相對均勻，從而保證了有效載荷安裝基板具有良好的平面度。

表6 熱變形測試結(jié)果

圖15 有效載荷安裝基板的離面位移云圖Fig.15 Displacement nephogram out of plane of payload mounting plate

6 結(jié)論

本文在理論和有限元分析的基礎(chǔ)上，研制了工程驗證原理樣機。在剛性和柔性兩種連接狀態(tài)下，通過溫度加載的方式模擬結(jié)構(gòu)平臺產(chǎn)生熱變形，測量有效載荷安裝基板的翹曲變形情況，對有效載荷安裝基板的翹曲變形進行了測量，檢驗了柔性連接對熱變形隔離的效果。結(jié)果表明：有效載荷安裝基板柔性連接相對剛性連接狀態(tài)，法向夾角變化從72.6″下降到3.6″，平面度變化從0.695 mm下降至0.032 mm，說明柔性連接對抑制有效載荷安裝基板的翹曲變形有顯著作用，達到了預(yù)期效果，證明設(shè)計方案是有效的。

本文研究的彈簧裝置均采用了簡單的豎直安裝方式，但實際上不同的支撐角度，對系統(tǒng)整體剛度有較大影響，后續(xù)工作可結(jié)合不同支撐角度，開展彈簧系統(tǒng)剛度更深入研究。

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(編輯：張小琳)

Research on Thermal Deformation Isolation for High-precision Satellite Platform Mounted Payload

WANG Zhiguo PENG Haikuo MAN Xiaoying MA Chao

(Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 201109，China)

In order to control the on-orbit deformation of high resolution satellite,this paper presents a method of thermal deformation isolation based on flexible connection for high-precision satellite platform mounted payload. In the background of model application,the theoretical analysis is carried out and the verification experiment is designed for the method. The test results show that compared to rigid connections,the deformation decreases by an order of magnitude when the payload mounting plate is flexibly connected with satellite platform. The flexible connection can effectively prevent the roles of thermal deformation from satellite platform,so payload mounting plate does not produce significant warpage. The technology can guarantee pointing accuracy for sensitive instrument.

satellite structures；high-precision；flexible connection；thermal deformation； deformation-isolation technology

2017-01-18；

2017-03-29

王志國，男，高級工程師，從事航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。Email：wzg7892@163.com。

V416.1

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.010