星敏感器遮光罩的力學分析及優(yōu)化設計

吳永康，翟正一，毛曉楠，劉冰，宋卿爭

（1.上海航天控制技術研究所，上海 201109； 2.上海市空間智能控制技術重點實驗室，上海 201109）

引言

星敏感器是一種以恒星為基準，通過星圖識別實現(xiàn)姿態(tài)測量的精密儀器，是目前空間領域精度最高的姿態(tài)敏感器[1,2]。星敏感器為弱光探測，在軌長期連續(xù)工作，不可避免的受到太陽、月球、地氣光、航天器外表面及部件散射等全部或者部分雜光源的干擾，遮光罩是抵御雜散光干擾的第一道防線[3,4]。通過合理的遮光罩結構設計和內部腔體涂覆吸收率較高的涂層，對雜散光遮擋和吸收，可以實現(xiàn)一定角度的雜散光抑制能力，進而提高星敏感器在軌長期正常工作的能力。一直以來，遮光罩設計是星敏感器研制的關鍵技術之一[5]。雜散光抑制角指標越小，遮光罩設計難度越大，為了提高雜散光抑制能力，應對復雜的軌道光照環(huán)境，遮光罩的口徑和長度尺寸需要相應增大，此時一般采用薄壁結構以實現(xiàn)輕量化設計。為了提高結構強度，一些載荷類的空間相機往往采用高強度低密度的碳纖維復合材料加工遮光罩[6,7]，而星敏感器用的小型遮光罩則通常使用比強度較高的金屬材料，如鋁合金或鎂合金加工，既可降低生產成本又便于鍍涂消光層。為了規(guī)避火箭發(fā)射階段沖擊振動環(huán)境下的力學風險，在遮光罩設計定型前，均需要在地面通過鑒定級的力學環(huán)境試驗考核，對設計結果進行校核。

本文針對某星敏感器遮光罩在鑒定級隨機振動試驗期間出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象開展仿真分析和問題定位，之后提出了四種不同的優(yōu)化設計方案，對比了優(yōu)化結果，確定了最終的技術方案，有效提高了遮光罩強度安全裕度，經重新投產實物驗證，通過了試驗考核。

1 試驗現(xiàn)象

某星敏感器新研遮光罩，包絡尺寸為Φ168.8 mm×189.7 mm，重量約445 g，材料為鋁合金。該遮光罩由外殼體和五片擋光環(huán)組成，圖1 為其遮光罩模型剖視圖。遮光罩通過四個M4 規(guī)格鈦合金螺釘安裝至星敏感器本體上，隨整機開展鑒定級隨機振動試驗。試驗依次按照X 方向、Y 方向、Z 方向的順序進行，其中各方向的定義見圖1 左下角坐標系。隨機振動試驗量級見表1。

圖1 遮光罩模型剖視圖

表1 鑒定級隨機振動試驗條件

在Z 方向試驗過程中，現(xiàn)場人員聽見異常聲響，隨即中止試驗，振動臺停止過程中可見遮光罩出現(xiàn)較大幅度晃動，試驗中止后，遮光罩殼體斷裂為兩截。圖2 為試驗后的遮光罩實物。

圖2 試驗后遮光罩實物

2 故障原因分析

針對遮光罩斷裂現(xiàn)象，重點從以下幾個方面開展了分析。

1）加工缺陷：如斷裂位置存在凹坑、較深的劃傷等，可能造成振動試驗期間局部應力集中，出現(xiàn)裂紋并擴展，直至斷裂。經查，該批遮光罩通過了出廠檢驗，且在零件表面處理、組件裝配過程中，均未發(fā)現(xiàn)存在上述缺陷；且同批加工的遮光罩，在相同部位外觀良好，因此排除該原因。

2）尺寸超差：按照圖紙要求，斷裂處的壁厚為0.7 mm，公差為±0.05 mm，若實物加工尺寸向負方向超差，導致遮光罩壁厚更薄，則可能導致強度下降，遮光罩發(fā)生斷裂。實際測得斷裂處厚度為0.71 mm，因此排除該原因。

3）試驗量級超差：若因為振動臺設備問題，或者試驗人員操作設置問題，導致實際的試驗量級，超出鑒定級的試驗條件要求，也可能導致遮光罩過載，發(fā)生斷裂。經比對三個方向的試驗曲線，均在容差范圍內。

4）設計裕度不足：在排除上述原因后，重點對遮光罩的設計裕度進行復核。遮光罩安裝至星敏感器本體后，類似一個懸臂梁結構，一般根部為應力最大位置。實際斷裂位置位于從安裝法蘭面向上第二個臺階處，如圖3中放大圖所示，該處壁厚為0.7 mm，殼體上下段的直徑過渡尺寸較大，設計了半徑6 mm 的倒圓角；而遮光罩根部處壁厚為1.2 mm，更為靠近法蘭面的第一個臺階處壁厚為1 mm，且該處殼體上下段的直徑過渡尺寸較小。相比之下，斷裂部位更為薄弱，實際斷裂位置基本位于第二個臺階倒圓角邊緣。通過尺寸分析，存在設計安全裕度不足，導致振動試驗過程中發(fā)生斷裂的風險。

圖3 遮光罩局部尺寸

對遮光罩進行有限元仿真分析，整機有限元模型見圖4，對四個安裝腳施加固定約束，并按照鑒定級的隨機振動試驗條件施加載荷，三個方向的分析結果見圖5。

圖4 星敏感器整機有限元模型

圖5 隨機振動仿真分析應力云圖（3σ）

遮光罩材料為鋁合金2A12 棒材，材料狀態(tài)為H112，屈服應力為255 MPa。按照衛(wèi)星設計與建造規(guī)范，對于屈服載荷的安全系數一般不小于1.35，則許用應力為188.9 MPa。從仿真分析結果看，三個方向的最大應力值分別為196.89 MPa、206.08 MPa 和67.82 MPa，其中X方向和Y 方向的最大應力值已經超出許用應力，安全裕度不足。同時，經檢查分析結果，遮光罩其余部位的應力均在許用應力范圍內。

從圖5 應力云圖上可以看出，最大應力的分布位置與實際斷裂位置高度吻合。但與試驗現(xiàn)象不同之處在于，X 和Y 方向的應力值明顯大于Z 方向，是后者的三倍之多，Z 方向的最大應力在許用應力范圍內；而試驗期間，卻是在Z 方向的振動時出現(xiàn)遮光罩殼體斷裂。因此推測在X 方向和Y 方向的振動過程中，遮光罩已經產生了塑性變形乃至產生裂紋，在Z 方向隨機振動載荷激勵下，裂紋擴展導致遮光罩殼體整體斷裂。

為驗證該推斷，再次開展隨機振動試驗。按照仿真分析，遮光罩最大應力分布情況是Z 方向﹤X 方向﹤Y方向，因此本輪試驗按照Z 方向、X 方向、Y 方向的順序依次開展，試驗現(xiàn)場見圖6。

圖6 第二次振動試驗現(xiàn)場

試驗過程中，在每個方向的振動完成后，均對遮光罩進行檢查。其中，Z 方向和X 方向的兩次振動后，遮光罩外觀均完好；在最后一次振動，即Y 方向的振動試驗后，經檢查，之前斷裂位置所在的局部再次出現(xiàn)了裂紋，詳見圖7，問題得到復現(xiàn)，且與按仿真分析結果得到的推斷一致。

圖7 遮光罩振動后局部斷裂

3 遮光罩優(yōu)化設計

針對遮光罩斷裂問題，為增加薄弱位置的強度，共設計四個優(yōu)化方案，見圖8。

圖8 遮光罩優(yōu)化設計方案

1）方案1：增加斷裂位置處的壁厚至1 mm；

2）方案2：增加斷裂位置處的圓角半徑至10 mm；

3）方案3：綜合方案1 和方案2，增加壁厚至1 mm且增加圓角半徑至10 mm；

4）方案4：將直角過渡改為斜角過渡，且增加壁厚至1 mm。

按照鑒定級的隨機振動條件，對優(yōu)化后的遮光罩再次仿真分析，分析結果見表2。

表2 各優(yōu)化方案下遮光罩最大應力

從分析結果看，各優(yōu)化方案下，遮光罩最大應力值均有不同程度下降，且各向應力值均小于許用應力，說明設計改進有效。其中方案3 和方案4 應力降幅最大，而方案4 應力值最小且對應的遮光罩重量減少約15 g，因此最終確定選用方案4 作為優(yōu)化后的設計狀態(tài)。方案4 的應力云圖見圖9。

圖9 選定遮光罩優(yōu)化方案的應力云圖

更改前后最大應力對比見表3。

表3 遮光罩更改前后最大應力值對比

按照優(yōu)化設計狀態(tài)重新生產遮光罩并開展試驗，試驗后，經檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，驗證了優(yōu)化設計的有效性。

4 結論

針對某星敏感器遮光罩在鑒定級隨機振動試驗期間出現(xiàn)的殼體斷裂現(xiàn)像開展排查，經有限元仿真分析定位的最大應力位置與斷裂位置吻合，超過了材料的許用應力，說明原設計安全裕度不足。對比了四種優(yōu)化方案下，薄弱位置的應力變化情況，最終選定通過優(yōu)化遮光罩殼體的結構形式，將直角過渡改為斜角過渡，并增加壁厚，在不改變包絡尺寸和安裝接口的前提下，有效降低了應力水平，提高了遮光罩的安全裕度，最終通過了試驗考核。