極高星敏SiC/Al主法蘭微形變設計制造與性能評價

王曉燕 李 林 白 山 鐘 俊 隋 杰 王苗苗 王艷寶

極高星敏SiC/Al主法蘭微形變設計制造與性能評價

王曉燕 李 林 白 山 鐘 俊 隋 杰 王苗苗 王艷寶

（北京控制工程研究所 空間光電測量與感知實驗室，北京 100190）

極高星敏主法蘭采用SiC/Al復合材料開展設計，通過多點對稱輻射分布式子柔性單元布局方式實現主法蘭的微形變，以保證其高剛度和高穩定性。探討了多點對稱輻射分布式柔性結構的剛度問題，對多點對稱輻射分布式柔性主法蘭進行輕量化設計，獲取最佳結構分布，實現了極端力、熱環境下SiC/Al主法蘭微米尺度形變設計與制造；通過工程分析和試驗完成了主法蘭的性能評價，結果表明主法蘭相對變形為9μm、熱穩定為0.05″/℃，基頻為160Hz，柔性單元位置的應力為76MPa，消除了整機力熱試驗低頻漂移和高頻紊亂現象，整機具有較高的力熱環境適應性。

極高星敏；主法蘭；SiC/Al復合材料；微形變

1 引言

星敏感器和空間目標監視相機是空間指向測量技術實現的典型高精度儀器載體。目前美國BALL公司研制的HAST敏感器[1]，姿態指向測量精度可達0.04″，也是世界上精度最高的星敏感器。Lockheed Martin公司的一體化敏感器AST301[2]精度達到0.5″，北京控制工程研究所研制的超高精度敏感器已在軌實現0.2″精度[2]。這類高精度指向測量敏感器多采用分體式結構以保證高穩定與低熱漂移。

主法蘭作為星敏感器的基礎性結構[3]，為整機提供安裝基礎和支撐，并作為對外安裝的機械接口，在特定安裝形式下，需要具有較高的剛度、強度，同時應具備很好的動、靜態力學穩定性和熱適應性[3～6]。SiC/Al復合材料除了具有基體金屬具備的良好的抗沖擊性能、抗疲勞性能、導熱性能、導電性能和抗斷裂性能以外，還具有較高耐磨性能和較低熱膨脹系數，其材料強度、剛度都很高[7，8]，非常適用于極高星敏主法蘭的設計制造。此外，柔性支撐結構通過特殊設計可有效釋放結構產生的形變[9]，通過對主結構進行柔性多參數優化設計，使其具備力學穩定性的同時，滿足熱環境變化的影響問題，通過結構柔性環節進行應力、應變釋放，以滿足極高星敏的高穩定需求。SiC/Al復合材料具有良好的比剛度和熱穩定性，可用以開展極高星敏的主法蘭設計、制造。

極高星敏作為我國目前精度最高的星敏感器，指向測量精度達到0.1″，針對極高星敏主法蘭開展了微形變設計，對SiC/Al復合材料進行了輕量化，通過分布式柔性單元剛度特性進行了探討，設計了具備良好力、熱穩定性的主法蘭結構，完成了主法蘭的生產制造，通過工程分析和試驗驗證了主法蘭的性能評價。

2 SiC/Al主法蘭設計與制造

2.1 主法蘭剛度

多點對稱輻射分布式柔性主支撐結構可看做具有多個剛性和阻尼系數的柔性阻尼系統，每一個柔性環節看做一個單元，每個單元具有三個互相垂直方向上的剛度，如圖1所示，即分別沿軸、軸、軸方向的剛度，主結構平行于極高精度光學儀器坐標系軸，沿切線方向，沿徑向方向[10]。

圖1 多點對稱輻射分布式柔性原理示意圖

分析可知，多點對稱輻射分布式柔性結構的耦合剛度為零[10]，對稱輻射分布的子單元可以實現極高星敏系統輸入平動方向和轉動方向的形變解耦。

2.2 參數化設計

柔性結構設計通常分為兩種模型：集中柔性與分布柔性，如圖2所示。通常情況下，集中柔性提供了較大的軸向剛度，使得徑向剛度很大的同時存在應力大的問題，而分布式柔性所承受的載荷分布于柔性全環節，改善了應變與應力的分布環境。

圖2 集中柔性（左）與分布柔性（右）原理示意圖

本文提出的多點對稱輻射分布式柔性主結構具有多個相同的柔性環節，每個柔性環節具有不同的參數，如圖3所示。主結構承載了整機的全部有效載荷，重量為18.2kg，圖3中建立了以主結構幾何形心為圓心、橫軸/軸及平面法線為軸的坐標系。l表示柔性單元F距離點的徑向距離，M,N分別表示柔性單元在坐標系中的坐標，θ表示柔性單元F與軸夾角。柔性單元F具有回轉半徑F和兩側的歐拉梁，兩側歐拉梁的長度分別為l1, l2，其對應的寬度和厚度分別為A1, B1和A2, B2。這些參數為主法蘭設計及性能評價的核心指標。

圖3 參數定義

2.3 成型制造

圖4 主法蘭3D模型

通過光機熱聯合仿真設計[6]，最終設計的極高星敏主法蘭結構如圖4所示，結構核心參數見表1，柔性單元距離法蘭中心128mm、168mm，歐拉梁長度6mm，歐拉梁對應的寬度分別為7mm、26mm，柔性單元回轉半徑26mm。完成了主法蘭的設計成型。

表1 主結構柔性單元參數 mm

圖5 SiC/Al復合材料加工后表面示意圖[8]

圖6 加工成型后的SiC/Al主法蘭

SiC/Al復合材料由鋁基體和SiC顆粒組成，材料硬度高、脆性大，屬于難加工材料[11]，加工過程容易出現SiC顆粒的殘留與切出，表面會產生凸起與凹坑，如圖5所示，使加工表面質量變差；同時，在切削過程中，切削應力與熱應力作用下材料的非彈性變形功轉化為熱能，熱膨脹進一步引起工件結構變形，加劇結構產生非彈性變形能[12]，這將影響主法蘭結構的精度和穩定性。為保證主法蘭剛度，同時保證安裝面具有足夠高的平面度，在安裝位置處進行改進設計，每個安裝點位置凸臺高度0.5mm，在主法蘭加工成型后，通過研磨方式實現安裝面的精度要求。最終加工成型的主法蘭如圖6所示。

3 性能評價

3.1 工程分析

工程分析可在設計階段對極高星敏的整機設計狀態進行仿真，分析其薄弱位置的力學特性，并能夠評價整機的熱性能，圖7給出了極高星敏主法蘭在極端力學環境下的力學響應情況，最大形變6μm，橫向、縱向基頻分別為160Hz、319Hz，滿足使用需求。

圖7 工程分析結果

3.2 試驗

為了驗證極高星敏主法蘭的穩定性，對設計后的極高星敏進行了極端環境力、熱試驗，試驗現場如圖8所示，試驗后對主法蘭進行形變測量，結果表明極高星敏主法蘭的相對變形為9μm、熱穩定為0.05″/℃，滿足空間指向0.1″的使用需求。同時該多點對稱輻射分布式柔性設計消除了力熱低頻漂移和高頻紊亂現象，整機具有較高的力熱穩定性。

圖8 試驗現場

4 結束語

針對極高星敏空間極高精度指向測量需求，分析了其力、熱極端環境下主法蘭高穩定性的影響因素：光學鏡頭安裝界面的相對變形和光學指向指標。在此基礎上，采用SiC/Al復合材料開展主法蘭的設計制造。仿真分析和試驗結果表明，SiC/Al主法蘭光學鏡頭安裝面的相對變形為9μm、熱穩定為0.05″/℃，具有良好的力熱穩定性。主法蘭采用SiC/Al復合材料設計制造可在同類產品中進行推廣。

1 Michaels D, Speed J. Ball aerospace star tracker achieves high tracking accuracy for a moving star field[C]//2005 IEEE Aerospace Conference, 2005: 1～7

2 袁利，王苗苗，武延鵬，等. 空間星光測量技術研究發展綜述[J]. 航空學報，2020，41(8)：7～18，2

3 余成武，隋杰，陳超，等. 高分七號衛星多探頭甚高精度星敏感器熱設計與驗證[J]. 航天器工程，2020，29(3)：144～150

4 江帆，吳清文，王忠素，等. 星敏感器支架的結構/熱穩定性分析及驗證[J]. 紅外與激光工程，2015，44(11)：3463～3468

5 李林，王棟，譚陸洋，等. 微小衛星星敏感器支架的優化設計與試驗[J]. 光學精密工程，2016，24(6)：1352～1358

6 隋杰，程會艷，余成武，等. 星敏感器光軸熱穩定性仿真分析方法[J]. 空間控制技術與應用，2017，43(4)：37～41

7 周艷華. 碳化硅顆粒增強鋁基復合材料主要制備技術[J]. 工具技術，2017(4)：7～10

8 王旭. 鋁基碳化硅微切削仿真方法及表面完整性研究[D]. 長春：長春理工大學，2019

9 劉婧，余成武，鐘紅軍，等. 高精度星敏感器遮光罩柔性支撐結構設計與分析[J]．空間控制技術與應用，2018，44(6)：1～55

10 李林. 一體化高分辨率光學衛星飛輪微振動機理與抑制方法[D]. 北京：中國科學院大學，2018

11 董輝躍，柯映林. 銑削加工中薄壁件裝夾方案優選的有限元模擬[J]. 浙江大學學報（工學版），2004，38(1)：17～21

12 葛英飛，徐九華，楊輝. SiCp/Al復合材料超精密車削切屑形成機制及形成過程模型[J]. 兵工學報，2015，36(5)：911～920

Design, Manufacture and Evaluation of Micro-deformation of SiC/Al Main Flange for Ultra-high Star Tracker

Wang Xiaoyan Li Lin Bai Shan Zhong Jun Sui Jie Wang Miaomiao Wang Yanbao

(Space Optoelectronic Measurement and Perception Lab., Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

The main flange is designed with SiC/Al material, and micro-deformation of main flange is realized through muti-point symmetric radiation distributed flexible unit layout to ensure its good performance. The stiffness of muti-point symmetric radiation distributed flexible structure is discussed, and the lightweight design is carried out, which realizes the micro-deformation design and manufacturing. Engineering analysis and experiment is carried out to further proved the performance of main flange. The results show that the micro-deformation of SiC/Al main flange is 9μm, thermo stability is 0.05″/℃, first order frequency is 160Hz, and the stress in flexible unit is 76MPa. This method eliminates the low-frequency drift and high-frequency disturbance of the response curves.

ultra-high star tracker；main flange；SiC/Al；micro-deformation

V448．224

A

國家航天重大工程專項、國家自然科學基金（No.51905034、No.52275083）；國家重點研發計劃項目（No.2021YFB3203100）。

王曉燕（1980），高級工程師，光學工程專業；研究方向：空間光學敏感器精密設計。通訊作者：李林（1989），博士，高級工程師，光學工程專業；研究方向：空間光電測量與智能感知技術。

2022-09-07