高分多模衛(wèi)星構(gòu)型與總體布局設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

王騰 范立佳 楊文濤 祖家國 張國斌 羅文波 張玲

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部,北京 100094) (2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

隨著遙感衛(wèi)星的發(fā)展，分辨率的提升和觀測范圍的增大一直是各國航天工程人員不斷追求的目標(biāo)。相機(jī)口徑的提升，可提高衛(wèi)星空間分辨能力[1]；軌道提升、視場增大可以擴(kuò)大地面觀測范圍。大幅提高衛(wèi)星快速姿態(tài)機(jī)動能力，也可使衛(wèi)星觀測范圍增大、重訪周期縮短。受到國外世界觀測(WorldView)系列衛(wèi)星啟發(fā)[2]，我國在“十二五”期間進(jìn)行了相關(guān)敏捷衛(wèi)星平臺的攻關(guān)，攻克了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。“十三五”期間，以中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺為基礎(chǔ)的高分多模衛(wèi)星獲得立項(xiàng)。高分多模衛(wèi)星主要任務(wù)是對地球表面進(jìn)行0.5 m全色和2 m多光譜的遙感成像觀測，具有多種敏捷成像模式、長壽命、高數(shù)據(jù)率圖像傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。衛(wèi)星分辨率高，要配置大口徑相機(jī)，需解決大口徑相機(jī)與平臺適配問題[3-6]。衛(wèi)星觀測范圍大、重訪周期短，依賴于敏捷成像實(shí)現(xiàn)，需提高敏捷機(jī)動能力。衛(wèi)星動中成像，圖像幾何定位精度高，需解決在軌光軸穩(wěn)定性等問題。

本文衛(wèi)星采用中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺，充分繼承了平臺構(gòu)型特點(diǎn)。針對高分多模衛(wèi)星任務(wù)需求，分析其對構(gòu)型與總體布局的要求，從構(gòu)型和總體布局出發(fā)，給出了相關(guān)要求的技術(shù)解決途徑，并完成相關(guān)的技術(shù)驗(yàn)證。分析試驗(yàn)、在軌表現(xiàn)等結(jié)果均表明：衛(wèi)星平臺構(gòu)型與總體布局，滿足衛(wèi)星任務(wù)對構(gòu)型布局的要求，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星相關(guān)任務(wù)指標(biāo)。

1 任務(wù)分析

高分多模衛(wèi)星作為一顆中型敏捷衛(wèi)星，其任務(wù)特點(diǎn)明確，即：高分辨率、敏捷成像、高圖像定位精度。從衛(wèi)星任務(wù)衍生出對平臺構(gòu)型與總體布局的設(shè)計(jì)要求。

1)高分辨率要求需要衛(wèi)星配備更強(qiáng)大的相機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)高分辨率，高分多模衛(wèi)星主相機(jī)主鏡口徑達(dá)到1 m，焦距達(dá)到10 m。大尺寸規(guī)模的相機(jī)占據(jù)星上較大空間，直接影響衛(wèi)星構(gòu)型，相機(jī)安裝適配對布局設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)大，同時需考慮相機(jī)電纜、散熱面、遮光罩等的布局和總裝操作相關(guān)問題。

2)敏捷成像需要衛(wèi)星具備高機(jī)動能力

為了提高敏捷成像能力，需要提高衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動能力，一方面配置大力矩的驅(qū)動裝置，另一方面減小整星轉(zhuǎn)動慣量規(guī)模。敏捷成像帶來衛(wèi)星姿態(tài)的大幅度變化，也對星上天線等敏感器指向提出更高適應(yīng)性要求，影響敏感器的布局設(shè)計(jì)。

3)高圖像定位精度需要衛(wèi)星保證相機(jī)光軸穩(wěn)定性

為了實(shí)現(xiàn)高圖像定位精度，對光軸穩(wěn)定性提出更高要求。光軸穩(wěn)定性包括兩方面，即相機(jī)光軸自身在軌的穩(wěn)定性和對相機(jī)光軸(整星)指向測量的準(zhǔn)確性。相機(jī)光軸自身穩(wěn)定性，受平臺的影響包括平臺結(jié)構(gòu)的熱變形影響，平臺機(jī)構(gòu)部件等轉(zhuǎn)動帶來的擾動影響。對相機(jī)光軸(整星)指向測量的要求提高，一方面提高測量裝置的測量精度，高分多模衛(wèi)星配置3臺甚高精度星敏感器；另一方面分析測量裝置與相機(jī)光軸關(guān)系夾角變化的影響因素。

同時，因衛(wèi)星研制周期短，構(gòu)型與總體布局設(shè)計(jì)需考慮模塊化、并行研制的設(shè)計(jì)思路；考慮總裝測試操作便捷，易于實(shí)現(xiàn)。

2 構(gòu)型與總體布局設(shè)計(jì)

高分多模衛(wèi)星構(gòu)型與總體布局設(shè)計(jì)包含兩大部分內(nèi)容，即平臺的構(gòu)型與布局設(shè)計(jì)和載荷布局設(shè)計(jì)。下文分別從這兩部分展開介紹。

2.1 平臺構(gòu)型與布局設(shè)計(jì)

衛(wèi)星包括平臺+太陽翼+載荷。其中，平臺主截面為1400 mm×1400 mm的矩形，采用兩艙設(shè)計(jì)，上艙為設(shè)備艙，下艙為服務(wù)艙。主載荷位于設(shè)備艙頂部。配置兩副二維二次高剛度太陽翼位于平臺兩側(cè)。衛(wèi)星采取縱軸對地飛行姿態(tài)。平臺模塊化構(gòu)成見圖1。

圖1 平臺模塊化構(gòu)成Fig.1 Platform modular structure

平臺采用緊湊化、模塊化的布局設(shè)計(jì)。兩艙結(jié)構(gòu)采用“框梁+箱板”的結(jié)構(gòu)型式。傳力形式簡單，易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)高剛度設(shè)計(jì)；兩艙接口簡單，易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，并行總裝。電子學(xué)設(shè)備采取外掛布局設(shè)計(jì)，針對電源等分系統(tǒng)設(shè)備分區(qū)布局，易于實(shí)現(xiàn)電纜優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)備總裝測試操作可達(dá)性好。服務(wù)艙底部布置對天面測控天線等指向性要求設(shè)備。考慮敏捷機(jī)動姿態(tài)變化，雙導(dǎo)航天線布局采取偏置一定角度，并對稱布局。

推進(jìn)模塊位于服務(wù)艙頂部，充分利用了艙內(nèi)空間。采用組元推進(jìn)系統(tǒng)，通過配置不同容量貯箱，可以使用不同的軌道維持和軌道控制要求。作為獨(dú)立模塊，可提前進(jìn)行管路焊接，與整星主線并行開展，大大縮短研制周期。

控制力矩陀螺(CMG)群作為獨(dú)立模塊，易于實(shí)現(xiàn)整體隔振。CMG群位于服務(wù)艙內(nèi)部，充分利用服務(wù)艙艙內(nèi)空間。同時CMG群遠(yuǎn)離主載荷，通過延長傳遞路徑可降低擾動對載荷影響。CMG支架采用“五棱錐”形式，與服務(wù)艙四立柱通過隔振裝置連接，實(shí)現(xiàn)整體隔振，提高微振動抑制效率[7]。通過以上設(shè)計(jì)方案，充分利用星體空間將星體慣量壓至最小。

衛(wèi)星配置二維二次可展開高剛度太陽翼[8]，提高整星剛度，降低慣量。太陽翼采取并聯(lián)方式，單翼三塊板，單翼面積達(dá)到約8 m2。并聯(lián)太陽翼有效縮短太陽翼質(zhì)心與衛(wèi)星距離，減小整星慣量。太陽翼單板采用加厚鋁蜂窩夾芯設(shè)計(jì)，提高單板剛度。根鉸、板鉸采用高剛度設(shè)計(jì)，提高了太陽翼展開后剛度。

星箭接口采用四點(diǎn)解鎖，延續(xù)主承力結(jié)構(gòu)傳力簡單理念。采用四點(diǎn)爆炸螺栓連接衛(wèi)星與運(yùn)載火箭，實(shí)施簡單，解鎖分離可靠。

從平臺方面看，衛(wèi)星構(gòu)型與布局設(shè)計(jì)具有多個創(chuàng)新點(diǎn)。

1)平臺模塊化設(shè)計(jì)

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺實(shí)現(xiàn)了平臺模塊化設(shè)計(jì)。設(shè)備艙、服務(wù)艙、推進(jìn)模塊、CMG模塊、太陽翼模塊等尺寸合理、接口簡單，可獨(dú)立總裝，并行開展，縮短研制周期。

2)并聯(lián)隔振的理念和實(shí)現(xiàn)

CMG群的集成化布局，使并聯(lián)隔振的理念得以實(shí)現(xiàn)。同時具有總裝操作簡單、測試便捷的優(yōu)勢。

3)高剛度+小慣量的平臺結(jié)構(gòu)布局

四立柱+艙板的結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)了傳力簡單、高剛度的平臺設(shè)計(jì)。艙內(nèi)設(shè)備緊湊化布局，滿足設(shè)備分區(qū)要求，設(shè)備外掛易于總裝測試實(shí)施。

2.2 載荷平臺一體化設(shè)計(jì)

從整星對光軸穩(wěn)定性、小慣量的設(shè)計(jì)要求，以及總裝測試操作可達(dá)性的需求，圍繞高分辨率相機(jī)為核心進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。考慮緊湊化布局，增加遮光罩的設(shè)備安裝功能，完成圍繞相機(jī)遮光罩的一體化設(shè)計(jì)，見圖2。

圖2 以高分辨率相機(jī)為核心的一體化設(shè)計(jì)Fig.2 Integrated design centered on high-resolution camera

1)圍繞高分辨率相機(jī)的一體化設(shè)計(jì)

高分辨率相機(jī)通過相機(jī)柔性適配裝置安裝在設(shè)備艙上。相機(jī)與平臺載荷適配結(jié)構(gòu)間設(shè)計(jì)有相機(jī)柔性適配裝置，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星平臺在軌熱變形釋放、在軌微振動抑制的作用。

為滿足星敏感器與相機(jī)間高穩(wěn)定安裝關(guān)系要求，星敏感器與相機(jī)采用一體化構(gòu)型及安裝方式，星敏感器通過支架直接安裝在相機(jī)主承力框上，最大程度減小相機(jī)與星敏感器間結(jié)構(gòu)路徑，見圖3；星敏感器支架和相機(jī)主體采用狀態(tài)一致的機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)，提高支架與相機(jī)、星敏感器兩個安裝面之間穩(wěn)定性，保證星敏感器-相機(jī)光軸夾角的在軌穩(wěn)定性。

圖3 星敏-相機(jī)一體化構(gòu)型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the integrated configuration of the star sensor and camera

為了減小整星轉(zhuǎn)動慣量，相機(jī)采用下沉式安裝設(shè)計(jì)。充分利用平臺空間，主相機(jī)電纜分束從設(shè)備艙內(nèi)引出。

主相機(jī)設(shè)計(jì)有獨(dú)立散熱面，散熱面安裝在相機(jī)防護(hù)罩上。散熱面與相機(jī)間通過熱管進(jìn)行傳遞熱量。

2)多用途相機(jī)防護(hù)罩設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)相機(jī)遮光罩只具備為相機(jī)消除外雜光影響的作用。考慮整星緊湊化布局，充分利用對天面空間，高分多模衛(wèi)星防護(hù)罩增加設(shè)備安裝功能，為相關(guān)設(shè)備提供安裝基礎(chǔ)(見圖4)。

圖4 多用途相機(jī)防護(hù)罩Fig.4 Multi-purpose camera protective cover

相機(jī)防護(hù)罩與平臺直接安裝，與相機(jī)共基準(zhǔn)，保證了為相機(jī)消除外雜光功能的同軸要求。大氣同步校正儀、數(shù)傳天線布局設(shè)計(jì)，完成對地指向范圍要求。寬波束測控天線布局設(shè)計(jì)，保證其波束角范圍內(nèi)無遮擋。相機(jī)散熱面布局，完成主相機(jī)的散熱等要求，縮短熱管長度，方便總裝測試操作。

中繼天線取消展開臂，充分利用衛(wèi)星敏捷機(jī)動特性輔助跟蹤高軌衛(wèi)星，完成中繼傳輸，降低整星結(jié)構(gòu)重量與慣量代價。多用途遮光罩完成了多設(shè)備安裝與整星減慣量設(shè)計(jì)要求。

從載荷布局看，載荷-平臺一體化的布局設(shè)計(jì)也具有多個創(chuàng)新點(diǎn)。

1)載荷-平臺的高穩(wěn)定性匹配設(shè)計(jì)

相機(jī)-星敏組合體布局，為實(shí)現(xiàn)整星圖像定位精度實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。相機(jī)與平臺安裝發(fā)射鎖定-在軌解鎖，降低平臺對相機(jī)的在軌熱穩(wěn)定性影響。實(shí)現(xiàn)相機(jī)與遮光罩獨(dú)立設(shè)計(jì)，降低遮光罩在軌擾動對相機(jī)光軸影響。

2)多用途遮光罩理念的引入

多用途遮光罩充分利用星上空間，為天線、大氣校正儀等對地指向要求設(shè)備提供安裝基礎(chǔ)；為相機(jī)提供良好空間環(huán)境；為相機(jī)提供雜光抑制功能；不與相機(jī)直接安裝，減小在軌結(jié)構(gòu)變形對相機(jī)光軸影響等。

3)中繼天線的小慣量布局實(shí)現(xiàn)

針對敏捷需求，中繼數(shù)傳工作模式采用整星機(jī)動+天線轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)。取消傳統(tǒng)衛(wèi)星為了中繼可見而采用的天線展開臂，可以有效降低整星慣量，提高整星剛度。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)要求和構(gòu)型布局設(shè)計(jì)原則，經(jīng)過系統(tǒng)層面優(yōu)化迭代得到高分多模衛(wèi)星的構(gòu)型與總體布局設(shè)計(jì)。衛(wèi)星在軌狀態(tài)如圖5所示。通過模擬仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，對衛(wèi)星整個構(gòu)型與總體布局設(shè)計(jì)進(jìn)行了全方位多階段的驗(yàn)證。針對衛(wèi)星構(gòu)型布局特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹對小慣量、平臺靜力和振動環(huán)境等方面的驗(yàn)證情況。

圖5 衛(wèi)星在軌狀態(tài)Fig.5 Satellite in orbit

1)小慣量驗(yàn)證

通過質(zhì)量特性預(yù)計(jì)、結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)的綜合計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌慣量小于3900 kg·m2的目標(biāo)。整星在軌測試衛(wèi)星敏捷機(jī)動特性滿足設(shè)計(jì)要求，也驗(yàn)證了整星小慣量的設(shè)計(jì)。

2)平臺靜力和振動環(huán)境驗(yàn)證

主承力柱作為整星的主要傳力部件，平臺通過了主承力柱的局部強(qiáng)度試驗(yàn)。

平臺整星靜力試驗(yàn)，考核了結(jié)構(gòu)在發(fā)射和起吊載荷下的強(qiáng)度。整星通過3 t承載試驗(yàn)，并通過超載試驗(yàn)，表明：平臺結(jié)構(gòu)承載能力具有擴(kuò)展33%的潛力。

為驗(yàn)證平臺主結(jié)構(gòu)剛度特性和動強(qiáng)度特性，分別針對光學(xué)載荷、SAR載荷的不同載荷，空箱、滿箱的不同狀態(tài)，星箭耦合振動的不同狀態(tài)，質(zhì)量在3 t～3.5 t的不同狀態(tài)等多種組合進(jìn)行了整星振動及噪聲試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：基頻及動力學(xué)響應(yīng)均滿足設(shè)計(jì)要求。

高分多模衛(wèi)星正樣結(jié)構(gòu)通過了驗(yàn)收級振動試驗(yàn)，并經(jīng)過了運(yùn)載火箭發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境考核，在軌工作一切正常。

3)CMG模塊驗(yàn)證

CMG群采用先進(jìn)行模塊級測試，后整星起吊對接，測試操作可達(dá)性好。

平臺振動試驗(yàn)針對CMG模塊不同安裝方式進(jìn)行了動力學(xué)驗(yàn)證，試驗(yàn)表明：CMG模塊動力響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

CMG模塊隨整星參加了驗(yàn)收級振動試驗(yàn)，并經(jīng)過了運(yùn)載火箭發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境考核，在軌工作一切正常。

4)二維二次太陽翼展開驗(yàn)證

太陽翼經(jīng)過了多次地面驗(yàn)證，安裝操作性好，展開時間滿足小于25 s要求，同步性滿足小于1 s要求，展開剛度滿足大于2.3 Hz要求，展開沖擊彎矩小于200 N·m，發(fā)射載荷下基板強(qiáng)度安全裕度大于1，展開狀態(tài)下的應(yīng)變和彎矩校核均大于1。

太陽翼經(jīng)過運(yùn)載火箭發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境考核，并順利展開工作，設(shè)計(jì)得到有效驗(yàn)證。

5)陀螺安裝驗(yàn)證

衛(wèi)星兩個三浮陀螺與光纖陀螺采用共基準(zhǔn)安裝，操作開敞性好，驗(yàn)收級試驗(yàn)最大響應(yīng)3.79gn，遠(yuǎn)小于單機(jī)驗(yàn)收條件。衛(wèi)星入軌后，陀螺工作正常，安裝得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

6)導(dǎo)航天線安裝的驗(yàn)證

針對敏捷機(jī)動需求，導(dǎo)航天線采用傾斜安裝、同時工作方案，兩部天線觀測的導(dǎo)航衛(wèi)星可送至一臺導(dǎo)航接受機(jī)中融合處理，增加可用星數(shù)，可提高定位精度。經(jīng)過仿真、內(nèi)外場試驗(yàn)以及在軌測試，此種雙天線布局在此類衛(wèi)星布局和敏捷姿態(tài)指向條件下可有效提高定位精度。

7)載荷適配結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

載荷適配結(jié)構(gòu)經(jīng)過地面和主動段力學(xué)環(huán)境考核，低頻振動測點(diǎn)測得最大響應(yīng)為0.73gn。微振動響應(yīng)在CMG模塊→立柱→載荷適配結(jié)構(gòu)→柔性組件→相機(jī)傳遞過程中明顯逐級衰減，傳遞到相機(jī)的響應(yīng)已為噪聲級。

8)星敏+相機(jī)一體化穩(wěn)定性驗(yàn)證

針對星敏相機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，進(jìn)行了穩(wěn)定性分析預(yù)示，星敏-相機(jī)組合體的試驗(yàn)驗(yàn)證，并根據(jù)在軌測試相關(guān)結(jié)果，驗(yàn)證相機(jī)星敏光軸變化不確定性小于0.8。

9)載荷一體化結(jié)構(gòu)+電性驗(yàn)證

高分多模一體化結(jié)構(gòu)試驗(yàn)表明：橫向一階固有頻率14 Hz，縱向一階固有頻率42 Hz，扭轉(zhuǎn)28 Hz，滿足運(yùn)載要求。載荷一體化的局部響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，得到有效驗(yàn)證。初樣電性驗(yàn)證平臺通過各個階段的測試，通用平臺設(shè)計(jì)得到有效驗(yàn)證，易于操作，可適用遙感衛(wèi)星平臺部分通用測試。

10)設(shè)備布局的熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證

針對衛(wèi)星高分相機(jī)、CMG群、電源控制器等大功率設(shè)備的散熱需求，開展散熱通道、散熱面等布局設(shè)計(jì)。經(jīng)過地面整星熱試驗(yàn)、在軌飛行狀態(tài)下行數(shù)據(jù)判讀，衛(wèi)星相關(guān)熱設(shè)計(jì)得到有效驗(yàn)證。

11)星箭4點(diǎn)連接的分離驗(yàn)證

高分多模衛(wèi)星采用四點(diǎn)解鎖星箭接口。衛(wèi)星在平臺設(shè)計(jì)等各個階段進(jìn)行了多次多狀態(tài)的對接分離驗(yàn)證表明：星箭接口匹配，分離正常。衛(wèi)星發(fā)射后，通過監(jiān)視相機(jī)及在軌遙測判讀，星箭分離正常，滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

圍繞高分辨率、敏捷成像、高圖像定位精度等任務(wù)需求，本文給出了高分多模衛(wèi)星的構(gòu)型布局設(shè)計(jì)理念、技術(shù)特點(diǎn)及驗(yàn)證情況，特別是平臺的模塊化緊湊化設(shè)計(jì)、圍繞載荷的一體化布局設(shè)計(jì)等，為衛(wèi)星突破敏捷機(jī)動成像技術(shù)奠定基礎(chǔ)。衛(wèi)星布局很好地滿足了系統(tǒng)總體及載荷、平臺等分系統(tǒng)的任務(wù)要求。衛(wèi)星構(gòu)型充分繼承了中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺。高分多模衛(wèi)星的成功發(fā)射及在軌穩(wěn)定運(yùn)行是對中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的全方位驗(yàn)證。平臺的模塊化設(shè)計(jì)、簡捷的傳力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總裝實(shí)施的便捷性、四點(diǎn)式星箭接口、對載荷機(jī)械接口的適應(yīng)性得到了有效驗(yàn)證。衛(wèi)星成功首飛將促進(jìn)中敏平臺構(gòu)型布局設(shè)計(jì)理念的推廣。