風(fēng)云系列近地軌道衛(wèi)星整流罩透波口設(shè)計方法

茅永興 朱振華 向 頡 倪曉秋 徐曼睿

1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214400 2.東南大學(xué)，南京211189

運載火箭的衛(wèi)星整流罩作為衛(wèi)星的保護罩，主要保護衛(wèi)星在飛行過程中穿越稠密大氣層時免受塵埃、雨水、潮濕、溫度及輻射等環(huán)境因素的影響，它在飛行過程中需要承受風(fēng)載(大氣阻力)、振動以及雨水等外物的撞擊力等外載荷，因此，應(yīng)有足夠的強度和剛度。但為了提高效率，增大運載能力，要求其結(jié)構(gòu)質(zhì)量應(yīng)盡可能的輕[1]。因此，大多數(shù)風(fēng)云系列近地軌道衛(wèi)星整流罩采用復(fù)合材料和鋁合金材料相結(jié)合的方法生產(chǎn)制造，整流罩柱段和倒錐段一般采用鋁合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)[2]，結(jié)構(gòu)強度高，重量輕。為了滿足星箭在發(fā)射塔架的發(fā)射陣地?zé)o線測試，還需要在整流罩上開設(shè)靜態(tài)測試透波口，這也給整流罩的優(yōu)化設(shè)計帶來了一定的難度[3]。

在以往的航天發(fā)射任務(wù)中，受測控網(wǎng)布局、有效載荷系統(tǒng)的測控需求以及整流罩強度設(shè)計要求等多種因素的影響，地面測控系統(tǒng)只提供拋棄整流罩以后的飛行段對衛(wèi)星的測控支持[4]。也就是說，在火箭起飛后至衛(wèi)星整流罩拋棄前，對于衛(wèi)星來說是測控盲區(qū)。若該期間衛(wèi)星狀態(tài)發(fā)生異常，則無分析排查用的實測數(shù)據(jù)[5-6]。因此，近期衛(wèi)星研制部門提出在首區(qū)增裝一套簡易衛(wèi)星遙測接收設(shè)備，以彌補發(fā)射前段衛(wèi)星遙測監(jiān)視空白的需求。但為了實現(xiàn)衛(wèi)星起飛后至拋整流罩前對衛(wèi)星的狀態(tài)監(jiān)視，除了在首區(qū)合適的位置(一般選擇地理位置比較高的山頭以便有較好的視角)安裝衛(wèi)星遙測接收設(shè)備外，需要在衛(wèi)星整流罩上開設(shè)相應(yīng)的透波口。但是，透波口開在什么位置、開多大才能滿足火箭飛行過程中對衛(wèi)星信號接收的需要,同時又滿足整流罩強度要求，是值得研究的課題。

1 測站跟蹤衛(wèi)星的α和β角計算方法

首先根據(jù)運載火箭理論飛行彈道數(shù)據(jù)以及測站站址坐標(biāo)，計算測站跟蹤衛(wèi)星時的α和β角[7]，得到與運載火箭理論飛行彈道數(shù)據(jù)時間節(jié)點相匹配的α和β角數(shù)據(jù)序列αi和βi，i=1,2,3,…。

1.1 發(fā)射工位在地固坐標(biāo)系中的位置矢量

(1)

其中，Lfsd，Bfsd和Hfsd分別為發(fā)射工位的大地經(jīng)度、緯度和高程；eE為地球參考橢球體的偏心率；ae為地球赤道平均半徑。

1.2 測站在地固坐標(biāo)系中的位置矢量

由測站站址參數(shù)計算其在地固坐標(biāo)系中的位置矢量rcz：

(2)

(3)

其中，Lcz，Bcz和Hcz分別為測站的大地經(jīng)度、緯度和高程。

1.3 測站在發(fā)射坐標(biāo)系中的位置矢量

由測站和發(fā)射工位在地固坐標(biāo)系中的位置矢量，以及發(fā)射工位的天文經(jīng)度、天文緯度和天文發(fā)射方位角，計算測站在發(fā)射坐標(biāo)系[8]中的位置矢量rcz-fsd：

(4)

其中，G為發(fā)射坐標(biāo)系至地固坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣：

(5)

這里，Rx(θ)，Ry(θ)和Rz(θ)分別為繞x，y和z軸按逆時針旋轉(zhuǎn)θ角的旋轉(zhuǎn)矩陣，λfsd和φfsd分別為發(fā)射點的天文經(jīng)度和緯度，Afsd為發(fā)射方位角。

1.4 測站在箭體坐標(biāo)系中的位置矢量計算方法

由測站、運載火箭在發(fā)射坐標(biāo)系中的位置矢量，以及運載火箭飛行姿態(tài)角數(shù)據(jù)，計算測站在箭體坐標(biāo)系[8]中的位置矢量rcz-jt：

(6)

其中，rjt為發(fā)射軌道計算結(jié)果中運載火箭在發(fā)射坐標(biāo)系中的位置矢量；E為發(fā)射坐標(biāo)系至箭體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，其計算公式為：

E=Rx(Γ)Ry(Ψ)Rz(Φ)

(7)

這里，Φ，Ψ和Γ分別為運載火箭在發(fā)射坐標(biāo)系中的俯仰角、偏航角和滾動角。

1.5 測控線在箭體坐標(biāo)系中的α和β角計算方法

由測站在箭體坐標(biāo)系中的位置矢量，計算測控線—測站與運載火箭的連線在箭體坐標(biāo)系中的α和β角[7]，其計算公式為：

(8)

(9)

其中，α角為測控線在箭體坐標(biāo)系OjXjYjZj平面的投影與Yj軸的夾角，逆時針為正，且α∈[0,π]；β角為測控線與箭體坐標(biāo)系Xj軸的夾角，且β∈[0,π]。

根據(jù)運載火箭的理論飛行彈道和上述α角的計算方法，可以得到與運載火箭理論飛行彈道數(shù)據(jù)時間節(jié)點相匹配的α角序列αi，i=1,2,3…；同理，可以得到β角序列βi，i=1,2,3…。

圖1 測控線α和β角示意圖

2 測控線在衛(wèi)星整流罩蒙皮上的軌跡計算方法

2.1 測控線軌跡在橫截面上相對于Yj軸的圓弧長度計算方法[6]

由測控線在箭體坐標(biāo)系中的α和β角，以及衛(wèi)星整流罩設(shè)計參數(shù)和衛(wèi)星測控天線在箭體坐標(biāo)系下所處的位置，計算得到測控線在衛(wèi)星整流罩蒙皮上的軌跡，計算方法如式(10)。

(10)

圖2 測控線α角示意圖a

圖3 測控線α角示意圖b

(11)

(12)

得：

(13)

其中，d為衛(wèi)星整流罩的直徑。

2.2 測控線軌跡在縱截面上相對于衛(wèi)星天線位置的柱面長度計算方法[6]

由圖4可以看出，測控線軌跡在縱截面上相對于衛(wèi)星天線位置的柱面長度計算方法為：

(14)

2.3 整流罩透波口設(shè)計方法

將整流罩柱段蒙皮從第Ⅲ象限線[8]切開沿柱段上下底面圓周線展開成平面矩形，建立如下整流罩柱段蒙皮的平面坐標(biāo)系(圖5)：坐標(biāo)系原點Oz為

圖4 測控線β角示意圖

柱段下底面(與星箭安裝面重合)圓周線與第Ⅲ象限線的交點；xz軸與柱段下底面圓周線(展開后)重合，指向第Ⅳ象限線方向；yz軸與第Ⅲ象限線重合，指向火箭頭部(與箭體坐標(biāo)系xj指向一致)。

由此可得到測控軌跡線在整流罩柱段蒙皮的平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xz,yz)，即：

(15)

(16)

其中,c為衛(wèi)星天線相對于整流罩柱段底面(星箭安裝面)的距離。

由測站跟蹤弧段內(nèi)連續(xù)的測控線αi和βi，i=1,2,3,…，可以得到測控軌跡線在整流罩柱段蒙皮的平面坐標(biāo)系中的連續(xù)坐標(biāo)(xzi,yzi)，如圖5中深色細線所示。

圖5 整流罩柱段蒙皮的平面坐標(biāo)系示意圖

最后，根據(jù)衛(wèi)星天線尺寸大小，確定穿過整流罩蒙皮的波速寬度，得到整流罩透波口的開口區(qū)域，如圖5中測控線軌跡外圍淺色區(qū)域所示。例如：假定衛(wèi)星天線最大方向尺寸為10cm，穿過整流罩蒙皮的波速寬度放大為12cm，則透波口的開口區(qū)域為半徑6cm的圓，其圓心沿測控線軌跡運動所形成的區(qū)域。

3 結(jié)束語

本文提出的發(fā)射段衛(wèi)星整流罩透波口的設(shè)計方法，充分利用了發(fā)射工位、測站和運載火箭三者之間的位置關(guān)系以及運載火箭的飛行姿態(tài)、衛(wèi)星裝箭狀態(tài)下天線的位置參數(shù)等已知條件，實現(xiàn)了對整流罩透波口的位置及開口尺寸的精確設(shè)計，既滿足了特定測站在發(fā)射段對衛(wèi)星的遙測接收需要，又最大限度地減小透波口開口大小，防止整流罩結(jié)構(gòu)強度過度下降而影響其安全性。