某衛星固面反射器熱變形測試分析與模型修正

萬小平，于新戰

（中國空間技術研究院 西安分院，西安 710100）

某衛星固面反射器熱變形測試分析與模型修正

萬小平，于新戰

（中國空間技術研究院 西安分院，西安 710100）

為評估反射器在軌熱變形對天線射頻性能的影響，文章詳細介紹了某衛星固面反射器的熱變形測試過程，分析了測試結果及有關數據處理方法。通過熱變形測試驗證了測試產品設計與工藝的合理性，并基于測試結果修正了分析模型，有助于提高反射器在軌熱變形分析精度。

反射器；熱變形測試；攝影測量；分析模型

0 引言

隨著航天技術的發展，多功能衛星系統日益增多，載荷系統中的天線數量也越來越多。為滿足衛星與火箭的結構相容性，衛星天線多采用可展開結構形式。其中，一維固面可展開天線應用較為廣泛。天線在軌工作階段，在空間熱載荷作用下，反射器的型面會產生相應的變形即熱變形，而熱變形是影響天線射頻性能的重要因素之一，尤其對于熱變形較為敏感的天線更是如此。為準確評價反射器在軌熱變形對天線射頻性能的影響，需要對反射器進行熱變形測試，并基于測試結果修正熱變形分析模型，以提高反射器在軌熱變形分析的準確度，進而采取措施降低天線在軌射頻性能因熱變形而發生惡化的風險。

在中國空間技術研究院承擔研制的“鑫諾五號”通信衛星項目中，采用2副一維可展開固面天線，并對其中一副口徑為3 m×2.2 m的一維可展開固面反射器采用攝影測量方法進行了熱變形測試。測試在法國圖盧茲INTERSPACE公司的真空設備中進行，分別測試了常溫（20 ℃）、高溫（100 ℃）、低溫（-150 ℃）工況下反射器的型面精度，分析了高、低溫工況相對于常溫工況的熱變形誤差，并與熱變形的分析預示結果進行了比對研究，修正了仿真分析模型。本文將詳細介紹這次熱變形測試的測試設備、測試過程、測試結果比對分析情況，以及仿真分析模型修正結果。

1 熱變形測試情況

固面反射器熱變形測試系統具體包括真空高低溫設備、攝影測量設備及固面反射器3部分，三者之間的分布如圖1所示，支撐結構形式如圖2所示。其中攝影測量設備為VSTAR系統，采用一臺固定相機。固面可展開反射器與攝影測量基準放置于支撐結構上；試驗過程中為確保反射器溫度的均勻性及型面的測量精度，轉動機構帶動反射器一起緩慢轉動[1]。為消除試驗過程中支撐結構對反射器熱變形的耦合影響，支撐結構通過3個支撐點將反射器進行簡支[2]。

圖1 熱變形測試系統Fig.1 The thermal distortion test system

圖2 支撐結構Fig.2 The support structure

反射器為固面可展開結構形式（見圖3），采用碳纖維-鋁蜂窩夾層結構，具體包括賦形反射面、展開臂及背部加強筋。

圖3 固面反射器結構示意Fig.3 The structure of the CFRP reflector

為準確獲取反射器各部位的溫度，試驗中在反射面、展開臂、測量基準等部件上共粘貼了29個溫度傳感器[1]，具體分布如圖4所示。

圖4 反射器溫度傳感器分布Fig.4 The thermocouples on the reflector

試驗過程中反射器安裝于高低溫真空試驗設備的狀態見圖5，為獲取反射器型面相對于展開臂展開軸的轉角誤差，在展開軸處安裝了測試基準（見圖6）。

圖5 反射器安裝于高低溫真空試驗設備中Fig.5 The reflector mounted in the test system

圖6 展開軸測試基準Fig.6 Test base of the deployment axis

根據天線的在軌熱分析結果確定了高溫（100 ℃）與低溫（-150 ℃）2個極限工況進行測試，試驗過程的溫度控制曲線如圖7所示。

圖7 試驗過程溫度控制曲線Fig.7 The temperature control curve in the test

圖7中的M1～M7為型面精度測試時點：M1為反射器安裝于支撐結構后；M2為高低溫真空設備關閉后；M3為抽真空并高溫80 ℃除濕后；M4與M5分別為低溫與高溫工況；M6為試驗后溫度恢復至常溫；M7為恢復常壓后。因此，濕度對反射器型面精度的影響為M3時刻與M2時刻的型面測量值間的差值（M3-M2）；而低溫工況下的型面熱變形為M4-M3；高溫工況下的型面熱變形為M5-M3。

2 熱變形測試結果

試驗中按照圖7所示的溫度控制曲線，完成了所有的工況測試，溫度誤差滿足要求，測試數據有效，其中低溫工況熱變形測試階段的典型測溫點溫度曲線如圖8所示。各工況型面精度與轉角偏差結果分別如表1與表2所示。圖9和圖10分別為高溫工況的熱變形型面偏差分布和熱變形指向偏差分布[3]。

圖8 低溫工況熱變形測試階段典型測溫點溫度曲線Fig.8 The typical temperature cycle curves in LT case

表1 各工況熱變形型面偏差測試結果Table 1 The surface error of the thermal distortion test results in different cases

圖9 高溫工況的熱變形型面偏差分布Fig.9 The thermal distortion surface error distribution in HT case

表2 各工況熱變形指向偏差測試結果Table 2 The pointing errors of the thermal distortion test result in different cases

圖10 高溫工況的熱變形指向偏差分布Fig.10 The pointing error distribution in HT case

從表1和表2所示測試結果可以得到如下結論：

1）型面精度攝影測量誤差小于 30 μm，與總熱變形573 μm相比，測量誤差僅為5.2%，滿足小于10%的誤差要求；

2）濕度造成的反射器變形型面偏差為122 μm，約為極限低溫工況下熱變形型面偏差的21%；

3）極限低溫工況下反射器的熱變形型面偏差為573 μm，指向偏差最大為0.028 1°；

4）極限高溫工況下反射器的熱變形型面偏差為280 μm，指向偏差最大為0.039 6°；

5）M6-M3結果顯示熱真空循環前后反射器型面精度穩定。

根據上述測試結果，對反射器熱變形仿真分析模型進行了修正，修正后的高溫與低溫工況下的熱變形分析結果如表3所示。

表3 反射器熱變形仿真分析結果Table 3 Analysis result of the thermal distortion surface error

圖11和圖12分別為低溫和高溫工況下熱變形分布的分析結果。

圖11 低溫工況熱變形分析結果Fig.11 The thermal distortion analysis result in LT case

圖12 高溫工況熱變形分析結果Fig.12 The thermal distortion analysis result in HT case

熱變形分析與測試結果的比對如表4所示。結果表明，基于反射器熱變形測試結果修正熱變形仿真分析模型后，熱變形型面精度分析與測試結果間在總變形上的差值為88 μm，滿足小于150 μm的要求，仿真模型準確、可用。

表4 反射器熱變形測試與仿真分析結果比對Table 4 The comparison between test and analysis

3 結束語

本文通過極限高低溫工況的熱變形型面精度測試，獲取了反射器在高低溫下的熱變形，驗證了現有反射器的設計與加工工藝的合理性。同時修正了反射器熱變形仿真分析模型，提升了此類反射器的產品成熟度，為更準確預示反射器在軌熱變形奠定了基礎，進而有助于降低反射器在軌射頻性能惡化的風險。

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[1]MAMOU M.Special TED test procedure for Ku band reflector.Interspace: IP-10-S5-004[R], 2010

[2]STEGMAN M D.Solar thermal vacuum testing of deployable mesh reflector for model correlation[R].JPL, 2010-03

[3]DAVID J F.SINOSAT-5 Ku domestic TED report: TAS-10-SINO-161[R].TAS, 2010

（編輯：張艷艷）

Test and analysis of thermal distortion of a deployable CFRP reflector

WAN Xiaoping, YU Xinzhan
(China Academy of Space Technology (Xi’an), Xi’an 710100, China)

This paper presents in detail the structure of the reflector, the thermal distortion test system and the measuring procedure, and analyzes the measurement results and the data processing methods.The measurement results validate the mechanical design and the manufacturing process of the product, and provide a basis to correct the thermal distortion analysis model for a precise analysis of the thermal distortion of the reflectors.

reflector; thermal distortion test; photogrammetry; analysis model

V414.3

：B

：1673-1379(2016)06-0672-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.018

萬小平（1977—），男，高級工程師，從事空間天線的結構及機構技術研究。E-mail: 13669194798@163.com。

2016-06-01；

：2016-11-17

衛星型號項目支持