直接轉(zhuǎn)移方式的木星探測(cè)器構(gòu)型設(shè)計(jì)及輕量化

耿志卿，陳昌亞，陸希，李彥之

(1. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109； 2. 上海深空探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109)

0 引言

木星探測(cè)是國(guó)際深空探測(cè)的重點(diǎn)，國(guó)際上從1972年開(kāi)始已開(kāi)展了9次涉及到木星的探測(cè)[1]，其中除伽利略號(hào)和朱諾號(hào)探測(cè)器外，其余皆為對(duì)木星的飛掠探測(cè)任務(wù)[2]。在未來(lái)的木星探測(cè)規(guī)劃中，NASA和ESA分別預(yù)計(jì)在2022年發(fā)射木衛(wèi)二快帆號(hào)[3]和木星冰月探測(cè)器[4]。我國(guó)深空探測(cè)的步伐也在不斷向前邁進(jìn)，在未來(lái)30年的深空探測(cè)專項(xiàng)中提出了木星系探測(cè)任務(wù)。

根據(jù)轉(zhuǎn)移軌道的不同，木星探測(cè)可分為直接轉(zhuǎn)移與天體借力轉(zhuǎn)移兩種方式。采用直接轉(zhuǎn)移能夠極大地縮短地木巡航段的飛行時(shí)間，較大限度提高從業(yè)者的期望度以及環(huán)繞探測(cè)段的時(shí)間占比，從而獲得更多的科學(xué)產(chǎn)出。但是，由于直接轉(zhuǎn)移方式的軌道特點(diǎn)及木星環(huán)境的特殊性，探測(cè)器構(gòu)型設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)火星及月球探測(cè)器相比，主要存在以下難點(diǎn)：1) 奔木軌道的速度增量大(主要為GTO轉(zhuǎn)移段)，導(dǎo)致探測(cè)器燃料占比高，可承載質(zhì)量小。2) 木星軌道上太陽(yáng)輻照弱，導(dǎo)致帆板面積大。3) 在軌環(huán)境的高能輻射強(qiáng)，危害到器內(nèi)單機(jī)。4)地木深空通信距離遠(yuǎn)，需具備大口徑高增益天線。因此，基于多約束下探測(cè)器的構(gòu)型設(shè)計(jì)，可為后期的木星探測(cè)方案提供一定的參考依據(jù)。

在探測(cè)器質(zhì)量確定的前提下，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化可有效提高承重比，實(shí)現(xiàn)整器的輕量化。目前，衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要關(guān)注于拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化兩方面。袁家軍[5]等基于Patran/Nastran采用鋪層尺寸優(yōu)化對(duì)兩個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效地降低衛(wèi)星整體質(zhì)量。徐皓[6]等通過(guò)最小柔度的拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化并結(jié)合采用分步優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)各工況下的有效減重。譚陸洋[7]等對(duì)蜂窩夾層進(jìn)行鋪層尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)鋪層的角度和厚度進(jìn)行兩次優(yōu)化從而降低光學(xué)小衛(wèi)星相機(jī)次鏡上的隨機(jī)響應(yīng)。陳靖[8]等通過(guò)對(duì)衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸和材料優(yōu)化實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星的輕量化。

本文基于木星探測(cè)器直接轉(zhuǎn)移方案設(shè)計(jì)了3種木星探測(cè)器構(gòu)型。采用Patran/Nastran軟件進(jìn)行有限元仿真，分析3種構(gòu)型的質(zhì)量及基頻模態(tài)特性并選擇較優(yōu)構(gòu)型。采用OptiStruct優(yōu)化軟件對(duì)整器進(jìn)行以鋪層及中芯層厚度為設(shè)計(jì)變量的尺寸優(yōu)化。以最小柔度為目標(biāo)函數(shù)對(duì)探測(cè)器隔板進(jìn)行局部拓?fù)鋬?yōu)化。針對(duì)優(yōu)化后結(jié)果，考慮運(yùn)載條件進(jìn)行整器的基頻驗(yàn)證。

1 探測(cè)器構(gòu)型設(shè)計(jì)及優(yōu)選

1.1 探測(cè)器構(gòu)型設(shè)計(jì)

由于直接地木轉(zhuǎn)移軌道所需的C3能量較大及GTO轉(zhuǎn)移段速度增量大，考慮現(xiàn)有運(yùn)載能力，擬采用CZ-5作為運(yùn)載(圖1)，搭載大型推進(jìn)艙。整器質(zhì)量分配如表1所示，探測(cè)器質(zhì)量包絡(luò)為1350kg，采用3.5m大口徑高增益天線，其帆板面積為43.5m2。同時(shí)，探測(cè)器采用鈦合金輻射罩將重要的電子單機(jī)進(jìn)行集中防護(hù)。根據(jù)文獻(xiàn)[9] ，探測(cè)器需要滿足運(yùn)載發(fā)射條件：橫向基頻>6Hz，縱向基頻>20Hz。

圖1 探測(cè)器大型推進(jìn)艙及運(yùn)載

表1 整器質(zhì)量分配表

參考風(fēng)云系列衛(wèi)星及火星探測(cè)器，提出了兩翼式方型及三翼六邊型構(gòu)型，如圖2所示，并根據(jù)探測(cè)器主承力方式的不同，基于三翼六邊型外形又提出一體化及承力筒式構(gòu)型，其一體化構(gòu)型體現(xiàn)在將輻射屏蔽箱板與各板結(jié)合作為探測(cè)器的主承力方式。

圖2 木星探測(cè)器構(gòu)型設(shè)計(jì)

1.2 質(zhì)量模態(tài)分析及構(gòu)型選擇

采用Patran/Nastran進(jìn)行有限元建模。其中根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：

1) 探測(cè)器除屏蔽艙外皆為鋁蜂窩夾層板。其中：衛(wèi)星底板、貯箱安裝板、隔板及承力筒厚度為30mm，面板采用碳纖維M55J/AG80，鋪層角度為[0,90] ，各鋪層的單層厚度皆為0.4mm，鏡面對(duì)稱方式鋪設(shè)。太陽(yáng)翼基板、頂板，載荷板及四周側(cè)板厚度為20mm，鋪層材料及角度與上面相同，各鋪層的單層厚度為0.1mm。防輻射屏蔽箱側(cè)板為6mm厚的鈦合金板。

2) 鋁制太陽(yáng)翼連接架、壓緊裝置、桁架及貯箱端框采用梁模型。

3) 高增益天線等質(zhì)量較大的設(shè)備采用中心質(zhì)量點(diǎn)來(lái)模擬，并通過(guò)MPC連接到相應(yīng)的板安裝區(qū)域，其余質(zhì)量較小的單機(jī)作為無(wú)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)板上。

通過(guò)建立有限元模型得到3種構(gòu)型探測(cè)器的質(zhì)量特性，并進(jìn)行模態(tài)分析得到基頻如表2所示，相應(yīng)的基頻振型見(jiàn)圖3。

表2 3種構(gòu)型對(duì)比表

圖3 3種木星探測(cè)器構(gòu)型的基頻振型

由表2給出的3種構(gòu)型的基頻及質(zhì)量特性可知，3種構(gòu)型皆滿足質(zhì)量包絡(luò)，其中兩翼式構(gòu)型的質(zhì)量為三者中最小，質(zhì)心高度較低，具有一定的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。但是，其基頻較低，特別是一階縱向基頻低于20Hz，剛度性能較差。將三翼承力筒構(gòu)型與一體化構(gòu)型相比可知，兩者的結(jié)構(gòu)質(zhì)量及質(zhì)心高度相當(dāng)。但是，承力筒構(gòu)型的固有頻率相對(duì)較高，剛性性能較優(yōu)，具有較大的可優(yōu)化空間，且由于探測(cè)器放置于大型推進(jìn)艙上部，其組合體的整體固有頻率將會(huì)下降。所以，為保證工程的安全性選取固有頻率較大、剛性較好的三翼式承力筒構(gòu)型作為初步設(shè)計(jì)的探測(cè)器構(gòu)型。

2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

三翼承力筒式探測(cè)器的整體質(zhì)量接近最大總量包絡(luò)，且結(jié)構(gòu)的橫向基頻較大。因此，針對(duì)探測(cè)器的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于鋪層及中心層厚度的尺寸優(yōu)化以及對(duì)圖2(c)中的隔板開(kāi)展探測(cè)器的局部結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，得到更為輕質(zhì)的探測(cè)器結(jié)構(gòu)。

2.1 尺寸優(yōu)化

如表3所示，將各結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板的鋪層及中芯層的厚度作為設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)為探測(cè)器整體質(zhì)量的最小值。將探測(cè)器的整體基頻、結(jié)構(gòu)的安全域度及相應(yīng)設(shè)計(jì)變量的變化范圍作為約束，采用數(shù)學(xué)形式可以將優(yōu)化模型表示如下：

(1)

式中：Ti為設(shè)計(jì)變量，為各板不同方向鋪層厚度；M為整星質(zhì)量；MR為面板的最小安全裕度；f1為一階基頻；上標(biāo)l和u分別代表變量的取值下限和上限。

基于OptiStruct軟件進(jìn)行鋪層優(yōu)化分析得到圖4-圖6的迭代曲線以及表3各結(jié)構(gòu)板的設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化，并根據(jù)工程圓整后的最終值結(jié)果如下：

由圖4和圖5可知探測(cè)器總質(zhì)量經(jīng)過(guò)7次的迭代從1349kg下降到1314.4kg，探測(cè)器結(jié)構(gòu)質(zhì)量從112.5kg下降到77.9kg，結(jié)構(gòu)占比從8.34%減少為5.93%，優(yōu)化效果較為理想。從圖6可知隨著各板厚度的減小，探測(cè)器剛度有所下降，基頻從11.2Hz下降到10.01Hz。如表3中考慮鋪層工藝技術(shù)，取0.1mm的精度進(jìn)行圓整。圓整后探測(cè)器最終質(zhì)量為1318kg，結(jié)構(gòu)質(zhì)量從112.5kg下降到81.5kg，降低了31kg(27.6%)。

圖4 探測(cè)器質(zhì)量迭代曲線

圖5 結(jié)構(gòu)質(zhì)量迭代曲線

圖6 整星基頻迭代曲線

表3 設(shè)計(jì)變量定義 單位：mm

2.2 局部拓?fù)鋬?yōu)化

如圖7所示，考慮對(duì)服務(wù)艙隔板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。其中，灰色部分代表設(shè)計(jì)區(qū)域，黑色部分為非設(shè)計(jì)區(qū)域。

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域

為降低拓?fù)鋬?yōu)化后對(duì)整體固有頻率的影響，采用設(shè)計(jì)區(qū)域的最小柔順度為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化模型可表示如下：

1)優(yōu)化模型

目標(biāo)：設(shè)計(jì)區(qū)域柔度最小化。

約束：體積分?jǐn)?shù)(設(shè)計(jì)區(qū)域優(yōu)化后體積與原體積之比)<0.3。

設(shè)計(jì)變量：設(shè)計(jì)空間里每個(gè)單元的密度。

數(shù)學(xué)表示為：

(2)

式中：X為設(shè)計(jì)變量，是設(shè)計(jì)區(qū)域中每個(gè)單元密度ρ組成的向量；C為結(jié)構(gòu)柔順度；F為節(jié)點(diǎn)載荷向量；U為節(jié)點(diǎn)位移向量；K為剛度矩陣；Vi為單元i的體積；V0為給定材料用量的總體積；ρi為單元i的密度值，0≤ρi≤1,i=1,2,…,n。

2) 優(yōu)化結(jié)果

對(duì)建立的拓?fù)鋬?yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8(a)所示，其中剩余部分為結(jié)構(gòu)主要的傳力路徑。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)探測(cè)器進(jìn)行再設(shè)計(jì)得到結(jié)構(gòu)如圖8(b)所示。

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及再設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖9為探測(cè)器質(zhì)量迭代曲線，可知通過(guò)對(duì)內(nèi)部隔板的拓?fù)鋬?yōu)化，探測(cè)器整體質(zhì)量從1318kg下降為1316.9kg，下降了1.1kg；隔板質(zhì)量從12.3kg下降為11.2kg，下降了8.9%。

圖9 結(jié)構(gòu)質(zhì)量迭代曲線

3 整器模態(tài)頻率驗(yàn)證

為保證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)仍能夠滿足運(yùn)載要求，將優(yōu)化后的模型組合推進(jìn)艙在Patran中進(jìn)行重新建模并分析相應(yīng)的基頻模態(tài)，基頻結(jié)果如表4所示，圖10為各基頻的模態(tài)振型。

表4 三翼承力筒構(gòu)型整體模態(tài)頻率

由振型圖10可知，由于大型推進(jìn)艙的質(zhì)量遠(yuǎn)大于探測(cè)器，基頻振動(dòng)主要出現(xiàn)于上部的探測(cè)器。由表4可知：優(yōu)化后的帶大型推進(jìn)艙的探測(cè)器整體頻率的最小橫向基頻為9.967Hz，最小的縱向基頻為27.835Hz，滿足運(yùn)載要求，具有較好的剛性性能。

圖10 優(yōu)化后組合體一階模態(tài)振型圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)探測(cè)器進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)及優(yōu)化可得結(jié)果如下：

1) 針對(duì)直接奔木的木星探測(cè)器設(shè)計(jì)了3種探測(cè)器構(gòu)型，通過(guò)質(zhì)量特性比較及模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，三翼承力筒構(gòu)型滿足質(zhì)量包絡(luò)且剛度性能最優(yōu)。

2) 通過(guò)對(duì)整器的鋪層尺寸優(yōu)化得到：探測(cè)器結(jié)構(gòu)質(zhì)量從112.5kg下降到81.5kg，降低了31kg(27.6%)。

3) 針對(duì)探測(cè)器隔板進(jìn)行局部拓?fù)鋬?yōu)化，使得隔板質(zhì)量從12.3kg下降為11.2kg，下降了8.9%。

4) 對(duì)整器進(jìn)行模態(tài)驗(yàn)證：優(yōu)化后帶大型推進(jìn)艙的探測(cè)器整體頻率的最小橫向基頻為9.967Hz，大于運(yùn)載給出的6Hz；最小的縱向基頻為27.835Hz，大于運(yùn)載給出的20Hz，滿足運(yùn)載的發(fā)射基頻約束。