高軌衛星機熱一體化星敏感器支架設計

王志國 張宗華 陳雙全 茅敏

(上海衛星工程研究所，上海 201109)

星敏感器在航天器姿態測量和控制系統中起著重要的作用，是最精密的姿態測量部件[1]。星敏感器通過測量恒星在星敏感器坐標系下的單位矢量，經過星圖識別，尋找觀測星在導航星庫中的對應匹配，最后根據觀測矢量與匹配星對的方向矢量計算姿態[2]。隨著高分辨率衛星對星敏感器指向精度的需求越來越高，星敏感器的指向精度要求達到角秒量級[3-4]。高軌高分辨率成像衛星結構熱變形對圖像定位與配準系統有較大的影響[5]，為提高衛星定姿和圖像導航配準精度，通常將多臺星敏感器按照特定角度安裝在星敏感器支架上，以控制星敏感器由于在軌溫度變化引起的熱變形[6]。國外高精度高分辨率航天器普遍采用多臺星敏感器安裝于同一支架上，然后再將星敏感器及支架組合體安裝于有效載荷光學基板或主體框架上的設計思想。

以往常規支架設計一般要求具有輕量化、高剛度、良好的電導通及傳熱特性，同時具有足夠的強度，因此往往采用輕質鋁合金或者鎂合金材料整體機加工而成。航天器在軌運行時，這些安裝支架處于反復交變的惡劣熱環境中，由于金屬材料的高熱膨脹率將導致其熱變形極大，星敏感器指向會發生很大變化，最終導致航天器定姿精度差，拍攝圖像模糊，航天器功能降低，甚至喪失。

文章針對某高軌衛星對角秒級星敏感器支架的研制需求，研究了一種高剛度高精度微變形機熱一體化星敏感器安裝支架。通過采用低變形設計與變形隔離相結合的技術手段，完成了高剛度高精度微變形星敏感器支架設計，滿足在軌熱變形小于10″，峰峰值小于2.5″的指標要求，為某高軌衛星高精度圖像定位提供了技術保障。

1 應用背景

為減少誤差環節，高精度遙感衛星的星敏感器都直接安裝在光學相機的主體框架上，這樣光學載荷視軸將以星敏感器指向作為基準進行在軌標定，提高圖像配準精度。根據某衛星的高精度姿態確定方案的需要，需要兩臺星敏感器同時工作，進行數據融合以提高姿態確定精度，因此姿軌控分系統配置了具有3個頭部的高精度分體式星敏感器，如圖1所示。

圖1 星敏感器及支架安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of star sensor and bracket

星敏感器頭部在整星安裝時需要保證以其光軸為中心軸、半錐角30°的圓錐視場內無遮擋物。星敏感器布局時，要考慮避免太陽、地球、月亮以及太陽帆板轉動過程中的反射光對星敏感器的影響，為保證2臺星敏感器數據融合使用以減小光軸方向的精度誤差對姿態確定影響，需要盡量保證3臺星敏感器間的夾角盡量大。

Ob-XbYbZb為星敏感器支架參考坐標系(即基準系)，Oi-XiYiZi為星敏感器自身坐標系，衛星本體坐標系Ob-XbYbZb繞Xb軸轉-90°，再繞Yb軸轉29°得到星敏感器1坐標系O1-X1Y1Z1；衛星本體坐標系Ob-XbYbZb繞Zb軸轉-71°，再繞Yb軸轉60°得到星敏感器2坐標系O2-X2Y2Z2；衛星本體坐標系Ob-XbYbZb繞Zb軸轉109°，再繞Yb軸轉-120°得到星敏感器3坐標系O3-X3Y3Z3。3臺星敏感器的光軸指向空間關系如圖2所示。

圖2 3臺星敏感器光軸指向示意圖Fig.2 Optical axis pointing schematic diagram of three star sensors

2 星敏感器支架結構設計方案

星敏感器支架方案由薄壁殼體結構、安裝腿組件、星敏感器安裝板、熱量收集板和熱管等組成，其包絡尺寸為ObXb方向427 mm，ObYb方向561 mm，ObZb方向576 mm，結構質量約8.7 kg。星敏感器支架設計方案如圖3所示。

圖3 星敏感器支架結構設計Fig.3 Structural design of star sensor bracket

為提高星敏感器支架的剛度，薄壁殼體結構、安裝腿組件采用高比剛度的M55J碳纖維復合材料制造；為滿足星敏感器的安裝界面要求，星敏感器安裝板采用鋁合金材料6061制造，這樣與星敏感器結構殼體底面熱膨脹特性基本一致，實現熱變形協調；為保證星敏感器在軌工作時(20±3) ℃的工作環境，使用充氨熱管連接在安裝板和熱量收集板之間，連接處采用柔性連接裝置，達到傳熱和變形隔離的雙重目的?？紤]到衛星在軌運行時，熱量收集板溫度達到-30 ℃左右，因此該零件采用高導熱低膨脹的鋁基碳化硅制造，這樣既能夠降低熱變形又提升了傳熱能力。

根據星敏感器布局情況，星敏感器安裝面1使用熱管1，星敏感器安裝面2、3共用熱管2，為提高熱管的工藝性，選擇平面彎曲形式，同時為減小熱管對星敏感器安裝面的拉扯效應，熱管均布置在星敏感器安裝面中心線上，熱管與安裝板采用柔性碟簧+螺釘的連接形式，如圖4所示。

圖4 星敏感器安裝板傳熱設計Fig.4 Thermal transfer design of star sensor mounting plate

3 力學分析及驗證

3.1 力學分析

衛星發射時，星敏感器支架要承受復雜的動力學環境，星敏感器支架與星敏感器組合體的模態特性直接決定星敏感器安裝面的動力學性能。為保證星敏感器安裝面有較好的力學界面，一般要求星敏感器支架與星敏感器組合體的一階固有頻率大于100 Hz。根據星敏感器支架的結構設計方案，采用MSC.Patran&Nastran平臺建立星敏感器支架與星敏感器組合體有限元模型，進行整體模態分析，經分析，一階頻率為172.7 Hz，如圖5、圖6所示。

圖6 星敏感器支架組合體一階模態振型(X向彎曲)Fig.6 First order modal pattern of star sensors and bracket assembly

3.2 試驗驗證

模態試驗主要是獲得星敏感器支架在滿載狀態下的模態頻率、模態阻尼和固有振型，驗證星敏感器支架主模態頻率是否滿足技術指標要求。試驗采用錘擊法進行，試驗表明(表1)，星敏感器支架與3臺星敏感器組合件的一階頻率為178.4 Hz，與分析結果基本一致，如圖7所示。

表1 模態試驗結果Table 1 Modal test results Hz

將星敏感器支架和3臺星敏感器組合體安裝于衛星上，在整星狀態下，進行X、Y、Z三個方向鑒定級振動試驗(5～100 Hz)。由于組合體整體頻率遠高于100 Hz，振動試驗時，星敏感器安裝面X、Y、Z三個方向振動響應最大值分別為4.61gn、3.85gn、3.03gn，遠小于星敏感器允許的振動量級包絡線，安裝界面良好的振動環境有效保護了星敏感器光學器件。振動曲線如圖8(對數坐標)所示。

圖7 星敏感器支架模態振型Fig.7 Modal vibration of star sensor bracket

圖8 星敏感器安裝面振動試驗曲線Fig.8 Vibration test curve of star sensor mounting suface

4 熱變形分析及驗證

4.1 歐拉角定義

通過歐拉角“3-1-2”順序旋轉將不同坐標系聯系起來，OX0Y0Z0為變形前基準系，OXYZ為變形后坐標系，于是坐標系OX0Y0Z0和OXYZ之間的坐標變換關系即為[3]

(1)

(2)

當歐拉角ψ,φ,θ均為小量時，則上述矩陣的小參量式為

(3)

式中：ψ為偏航角；θ為俯仰角；φ為滾動角。

變形后坐標系OXYZ在變形前基準坐標系OX0Y0Z0中的方向余弦矩陣為

(5)

歐拉角和方向余弦陣元素之間的關系有

(6)

4.2 熱變形分析

4.2.1 溫度場施加方法

采用徑向基函數插值方法[7-8]，對空間四變元散亂溫度場數據進行映射,徑向基函數在四維空間上插值計算具有簡單、高效、精確度高的優點。

插值的大致流程：通過計算目標場點閾值確定的球內的源場點，提取對目標場點數據值產生貢獻的源場點數據值，根據距離權值，分別計算球內源場點數據值對目標場點值的貢獻，最后獲取目標場點數據值。

星敏感器支架溫度場映射結果幾乎和溫度源場一致，具體如圖9所示。

圖9 極端工況下星敏感器支架溫度場分布Fig.9 Temperature field of star sensor bracket under extreme conditions

4.2.2 分析結果

根據4.1節熱變形的角度定義，分別計算衛星在軌極端工況下春分、夏至的星敏感器安裝面的歐拉角變化量，同時計算變化量的峰峰值，每個工況均分析一天變化情況，每隔2 h計算一次，星敏感器安裝面指向最大變化量如表2所示，最大變化量與最小變化量的差值(峰峰值)如表3所示。計算結果表明，星敏安裝面指向最大變化量為7.03″，指向峰峰值為1.81″。熱變形云圖如圖10所示。

表2 星敏感器安裝面最大變化量Table 2 Maximum deformation of star senor mounting surface (″)

表3 星敏感器安裝面變化峰峰值Table 3 Peak to peak value of star senor mounting surface (″)

圖10 星敏感器支架的熱變形云圖Fig.10 Thermal deformation diagram of star sensor bracket

4.3 試驗驗證

在大氣環境下，通過粘貼加熱片和流體回路冷卻的方式對星敏感器支架進行溫度控制，模擬星敏感器支架的溫度分布，通過光電自準直儀對星敏感器支架熱變形引起的星敏感器安裝面指向變化進行測量，驗證星敏感器支架設計的合理性。

星敏感器模擬件采用等剛度鈦合金金屬板制造，在星敏感器模擬件中心位置粘貼反射棱鏡，反射棱鏡的坐標系與星敏感器安裝面坐標系保持一致。采用6臺光電自準直儀(編號1#～6#)進行測量，一臺光電自準值儀同時監測一個鏡面兩個方向的變化。光學自準直儀是將角度測量轉換為線性測量的一種計量儀器，由于其測量分辨率和準確度高，故廣泛用于小角度測量、導軌的平直度測量等方面[9]。光電自準值儀將近似平行光垂直投射到棱鏡鏡面上，利用反射像相對初始位置的偏移位移量d和物鏡焦距f，便可計算出棱鏡鏡面的傾斜角度[10]。熱變形試驗測量方案見圖11所示。

試驗表明，星敏感器安裝面最大變化量為6.41″，變化峰峰值1.58″，量值上與分析結果基本一致，春分、夏至工況下熱變形試驗結果如表4、5所示。

表5 星敏感器安裝面變化峰峰值Table 5 Peak to peak value of star senor mounting surface (″)

5 結束語

本文針對某高軌衛星對角秒級星敏感器支架的研制需求，研制了一種高剛度高精度微變形機熱一體化星敏感器安裝支架。該支架通過熱管實現星敏感器散熱，同時熱管與其它結構件采用柔性裝置連接，從而實現熱變形隔離；支架中熱量收集板采用新型鋁基碳化硅復合材料制備而成，既提高了傳熱性能又降低了其熱變形對周圍結構的影響；支架主體結構采用碳纖維復合材料制備，這樣確保了星敏感器支架具有較大的比剛度。試驗表明：星敏感器支架與星敏感器組合體的一階固有頻率為178.4 Hz，星敏感器安裝面動力學環境良好，同時在軌春分、夏至極端工況下，星敏感器安裝面最大變化量為6.41″，峰值為1.58″，實現了衛星在軌姿態確定精度優于2.8″,滿足了衛星高精度圖像定位需求。