星敏感器熱穩(wěn)定性地面驗(yàn)證技術(shù)

孟小迪，王曉燕，齊靜雅，武延鵬，王艷寶，王苗苗

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

星敏感器是高精度的姿態(tài)測(cè)量敏感器，在航天器的控制系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。航天器在軌運(yùn)行期間，星敏感器因受到太陽輻射等復(fù)雜空間熱環(huán)境和真空深冷背景的影響而導(dǎo)致其光軸出現(xiàn)漂移（熱漂移或溫度漂移）。光軸熱漂移是星敏感器姿態(tài)測(cè)量低頻誤差的主要來源之一[1-3]。對(duì)于測(cè)繪衛(wèi)星等對(duì)星敏感器精度要求較高的衛(wèi)星平臺(tái)，空間熱環(huán)境導(dǎo)致的光軸熱漂移更為明顯。為減小空間熱環(huán)境對(duì)星敏感器姿態(tài)測(cè)量的影響，要求對(duì)星敏感器進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)，使星敏感器整體溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)[4]。對(duì)于熱設(shè)計(jì)有效性的評(píng)價(jià)，目前大多采取仿真分析驗(yàn)證的手段，但更精確的光軸熱穩(wěn)定水平的測(cè)量和評(píng)價(jià)則需要在真空熱環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)中測(cè)試得到[4]。隋杰等開發(fā)了熱-力-光聯(lián)合仿真分析模型，基于星敏感器光機(jī)模型建立有限元分析模型，設(shè)置溫度界面后仿真得到星敏感器的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；通過分析結(jié)果，計(jì)算了光學(xué)系統(tǒng)的光軸變化情況，最后得出光軸的熱漂移量[4]。金荷等建立了熱穩(wěn)定性試驗(yàn)系統(tǒng)，將星敏感器放置于真空罐內(nèi)，真空罐外采用靜態(tài)星模擬器模擬恒星，通過加熱安裝面和遮光罩模擬外熱流對(duì)星敏感器影響[5]。目前，星敏感器熱穩(wěn)定的研究多集中在光機(jī)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)的仿真，仿真分析時(shí)條件較理想化，仿真結(jié)果往往優(yōu)于實(shí)際熱穩(wěn)定性結(jié)果；而試驗(yàn)方案將靜態(tài)星模擬器放在真空罐外，真空罐窗口玻璃內(nèi)外環(huán)境差異會(huì)帶來額外的誤差，且無法消除。

本文提出一種星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)總體方案，包括試驗(yàn)流程、試驗(yàn)剖面及熱穩(wěn)定性計(jì)算方法等；建立熱穩(wěn)定性試驗(yàn)系統(tǒng)，給出關(guān)鍵組件和指標(biāo)；依據(jù)航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范，制定星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)判據(jù)與條件；提出熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過程中試驗(yàn)系統(tǒng)的誤差控制方法；最后給出某型星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果。

1 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 熱穩(wěn)定性定義

熱穩(wěn)定性是衡量星敏感器光軸受溫度變化影響時(shí)的穩(wěn)定能力的指標(biāo)，以工作溫度范圍內(nèi)每攝氏度變化引起的光軸漂移等結(jié)構(gòu)；由于星敏感器的溫度場(chǎng)發(fā)生變化，其不同結(jié)構(gòu)、不同組件的熱彈性變形不同使其光學(xué)系統(tǒng)與像面對(duì)準(zhǔn)關(guān)系發(fā)生變化，導(dǎo)致其光軸漂移。熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證星敏感器隔熱設(shè)計(jì)能否滿足星敏感器光軸熱穩(wěn)定性指標(biāo)[4,6-8]。

1.2 熱穩(wěn)定性計(jì)算方法

在進(jìn)行地面測(cè)試時(shí)，可通過星點(diǎn)坐標(biāo)變化結(jié)果或者計(jì)算星敏感器姿態(tài)的變化得到光軸漂移量。

1）星點(diǎn)坐標(biāo)方法（單星模擬器）

根據(jù)溫度穩(wěn)定判據(jù)，待溫度穩(wěn)定后采集星點(diǎn)坐標(biāo)位置；根據(jù)星敏感器瞬時(shí)視場(chǎng)，計(jì)算得到光軸熱穩(wěn)定性結(jié)果。星點(diǎn)坐標(biāo)方法測(cè)試光軸熱穩(wěn)定性簡單且易于實(shí)現(xiàn)。

2）姿態(tài)測(cè)量方法（多星模擬器）

對(duì)比以上兩種評(píng)價(jià)方法：星點(diǎn)坐標(biāo)方法雖簡單且易于實(shí)現(xiàn)，但測(cè)試精度受單星點(diǎn)質(zhì)心定位精度影響；姿態(tài)測(cè)量方法計(jì)算復(fù)雜，但由于使用了視場(chǎng)中不同位置的星點(diǎn)信息，所以減小了單星點(diǎn)的隨機(jī)誤差等對(duì)結(jié)果的影響，且評(píng)價(jià)方法更接近于在軌工況。本文星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)采用姿態(tài)測(cè)量方法。

1.3 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

在星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需要建立完整的外熱流模擬環(huán)境。將星敏感器與穩(wěn)定平臺(tái)隔熱安裝，同時(shí)用隔熱多層包覆星敏感器，減小其與環(huán)境的熱量交換，以保證星敏感器除自身工作產(chǎn)生的熱量外，只受到模擬產(chǎn)生的外熱流的影響。試驗(yàn)準(zhǔn)備階段需要對(duì)試驗(yàn)設(shè)備功能的有效性進(jìn)行測(cè)試。

在星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過程階段，需要控制星敏感器結(jié)構(gòu)溫度到不同溫度水平；待星敏感器溫度穩(wěn)定后，計(jì)算星敏感器光軸與溫度的關(guān)系，得到星敏感器光軸熱穩(wěn)定性指標(biāo)。從試驗(yàn)系統(tǒng)安裝調(diào)試階段布設(shè)的測(cè)溫點(diǎn)中選取控制點(diǎn)，將控溫點(diǎn)溫度作為星敏感器溫度是否穩(wěn)定的判斷依據(jù)。

1.4 試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

設(shè)置試驗(yàn)工況時(shí)，以星敏感器工作溫度為基準(zhǔn)，使試驗(yàn)溫度覆蓋工作范圍。以某型星敏感器為例，設(shè)計(jì)工作溫度為(20±3) ℃時(shí)，可設(shè)置溫度循環(huán)如圖1 所示。

圖1 星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)溫度設(shè)置Fig.1 Temperature setting for thermal stability test of star sensor

2 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方案實(shí)施

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)建立

熱穩(wěn)定性試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)室環(huán)境控制、穩(wěn)定支撐平臺(tái)、高精度星場(chǎng)模擬、高精度空間角度測(cè)量、空間多物理場(chǎng)模擬等裝置或分系統(tǒng)（如圖2 所示），具有真空深冷環(huán)境模擬、在軌熱場(chǎng)模擬、雜光光場(chǎng)模擬、目標(biāo)星場(chǎng)模擬、衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬、星點(diǎn)抖動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ埽蔀樾敲舾衅魈峁?biāo)定測(cè)試、低頻誤差測(cè)試、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，以及為多物理場(chǎng)作用機(jī)理前沿技術(shù)研究提供研究平臺(tái)。該系統(tǒng)的主要功能和指標(biāo)如表1 所示。

表1 星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能和指標(biāo)Table 1 Main functions and indexes of thermal stability test system for star sensor

圖2 星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of the thermal stability test system for star sensor

進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，將星敏感器安裝在真空罐內(nèi)地基穩(wěn)定平臺(tái)上，使其光軸方向?qū)?zhǔn)星點(diǎn)模擬分系統(tǒng)光軸方向。根據(jù)某太陽同步軌道衛(wèi)星搭載星敏感器熱控?cái)?shù)據(jù)分析，星敏感器安裝法蘭的溫度水平及穩(wěn)定度是影響光軸熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[9]，因此在進(jìn)行光軸熱穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，利用試驗(yàn)系統(tǒng)的浴油控溫分系統(tǒng)對(duì)星敏感器安裝法蘭進(jìn)行界面控溫，測(cè)試光軸熱漂移與安裝法蘭溫度的關(guān)系。熱穩(wěn)定性試驗(yàn)狀態(tài)準(zhǔn)備流程如圖3 所示。

圖3 星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)狀態(tài)準(zhǔn)備流程Fig.3 Preparation of thermal stability test for star sensor

2.2 試驗(yàn)過程控制

2.2.1 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過程

光軸熱穩(wěn)定性試驗(yàn)中先控制星敏感器安裝法蘭界面溫度處于不同溫度水平；待溫度穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)，評(píng)估光軸熱穩(wěn)定水平。試驗(yàn)系統(tǒng)的星點(diǎn)模擬分系統(tǒng)可以模擬單星或多星工況；光軸熱穩(wěn)定性試驗(yàn)選擇單星模擬器，分別采集不同溫度下的星敏感器測(cè)量結(jié)果，將安裝法蘭界面溫度為20 ℃時(shí)的星敏感器測(cè)量結(jié)果作為基準(zhǔn)，計(jì)算得到星敏感器測(cè)量結(jié)果隨溫度變化水平，即為光軸熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過程如圖4 所示。

圖4 星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過程Fig.4 Procedure of thermal stability test for star sensor

圖5 星敏感器結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力釋放溫度曲線Fig.5 Temperature profile of structural thermal stress release for star sensor

2）平臺(tái)穩(wěn)定性

穩(wěn)定支撐平臺(tái)是在地基上固定安裝的光學(xué)平臺(tái)，通過穿艙結(jié)構(gòu)嵌入真空罐內(nèi)，提供真空環(huán)境下的安裝臺(tái)面。該平臺(tái)通過鈦合金墊塊與底板隔熱相連，與穿艙支架固定法蘭絕熱，使得平臺(tái)的熱量不能傳遞到穿艙支架以上，保證了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。

通過在穩(wěn)定支撐平臺(tái)上粘貼加熱片的方式對(duì)其采取主動(dòng)控溫措施（如圖6 所示），外部采用多層包覆，采用航天器常用的熱管理方式保證穩(wěn)定支撐平臺(tái)在不同環(huán)境工況下的溫度場(chǎng)穩(wěn)定。

圖6 穩(wěn)定支撐平臺(tái)主動(dòng)熱控措施Fig.6 Active thermal control measures for stable support platform

2.2.2 試驗(yàn)過程誤差控制

由于星敏感器熱穩(wěn)定性在角秒至亞角秒水平，所以試驗(yàn)過程中的誤差隔離與抑制對(duì)于試驗(yàn)效果至關(guān)重要。熱穩(wěn)定性試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長，因此星敏感器安裝支架以及試驗(yàn)系統(tǒng)的平臺(tái)的溫度穩(wěn)定性直接影響熱穩(wěn)定性指標(biāo)。安裝支架的熱穩(wěn)定性主要取決于試驗(yàn)過程中溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)力變化，可以通過溫度拉偏進(jìn)行應(yīng)力釋放；試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的溫度穩(wěn)定性和振動(dòng)穩(wěn)定性可通過采取主動(dòng)溫控和隔振措施來保證。

1）應(yīng)力釋放

熱應(yīng)力釋放試驗(yàn)的目的是通過控制星敏感器結(jié)構(gòu)溫度在一定范圍內(nèi)循環(huán)來充分釋放結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，避免應(yīng)力釋放不充分對(duì)光軸熱穩(wěn)定結(jié)果產(chǎn)生影響。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)特性，設(shè)定熱應(yīng)力釋放階段的溫度循環(huán)（單循環(huán)）如圖5，共進(jìn)行高低溫兩個(gè)循環(huán)。

為了保證支撐穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定支撐平臺(tái)的隔振方案。穩(wěn)定支撐平臺(tái)的振動(dòng)源主要來自實(shí)驗(yàn)室地面振動(dòng)和真空罐體平臺(tái)的振動(dòng)。試驗(yàn)中將穩(wěn)定支撐平臺(tái)直接固定于隔振地基上來降低實(shí)驗(yàn)室地面振動(dòng)影響。對(duì)于真空罐體平臺(tái)振動(dòng)，采用波紋管連接件將平臺(tái)與真空罐體相連，波紋管的阻尼作用可以降低傳遞到穩(wěn)定支撐平臺(tái)上的振動(dòng)的影響。為了減少各設(shè)備間的低頻擾動(dòng)，將支撐平臺(tái)分割成中間支撐部分和平臺(tái)支撐部分，兩者之間做隔熱處理并采取獨(dú)立控溫方式，以在保證剛度的同時(shí)抑制設(shè)備間的內(nèi)熱源干擾，提高組件的控溫精度。

經(jīng)測(cè)試，平臺(tái)熱漂移≤0.2 (″)/(℃·h-1)，滿足星敏感器熱穩(wěn)定性測(cè)試要求。

2.3 試驗(yàn)判據(jù)與設(shè)計(jì)

真空熱環(huán)境試驗(yàn)是航天器發(fā)射入軌前必須進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，國內(nèi)外都制定了相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其中：ECSS-E-ST-10-03C 和GSFC-D-7000 都對(duì)航天器熱平衡試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)穩(wěn)定判據(jù)等進(jìn)行了針對(duì)性介紹[10-11]，涵蓋產(chǎn)品研制全流程；我國借鑒國外環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)成果，結(jié)合我國航天技術(shù)多年發(fā)展和積累的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)布GB/T 34515—2017（《航天器熱平衡試驗(yàn)方法》），可對(duì)航天器試驗(yàn)要求制定和方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[12]。但目前仍缺乏星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范，提出星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)判據(jù)。

對(duì)于星敏感器而言，ECSS-E-ST-60-20C 規(guī)定星敏感器的熱彈性誤差需要通過熱分析模型得出，光軸熱漂移指標(biāo)需要通過熱穩(wěn)定性試驗(yàn)得出。

根據(jù)GB/T 34515—2017 要求，應(yīng)在真空環(huán)境壓力≤6.65×10-3Pa 時(shí)開始進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗(yàn)；若連續(xù)4 h 的溫度變化不超過±0.5 ℃，或者溫度單調(diào)變化率＜0.1 ℃/h，即視為溫度穩(wěn)定狀態(tài)。

3 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)前文所述試驗(yàn)總體方案以及試驗(yàn)判據(jù)等內(nèi)容，設(shè)置試驗(yàn)工況如表2 所示。

表2 星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)工況Table 2 Conditions of the star sensor thermal stability test

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

光軸熱穩(wěn)定階段，控制星敏感器安裝法蘭界面溫度穩(wěn)定在17 ℃、20 ℃、23 ℃這3 個(gè)溫度水平（如圖7 所示），利用星點(diǎn)坐標(biāo)方法評(píng)價(jià)光軸熱穩(wěn)定性。

圖7 星敏感器安裝法蘭溫度曲線Fig.7 Temperature profile for the installed flange of star sensor

按照溫度穩(wěn)定判據(jù)，每個(gè)階段連續(xù)4 h 內(nèi)的溫度變化不超過±0.5 ℃時(shí)，獲得星點(diǎn)坐標(biāo)信息，不同溫度階段星點(diǎn)位置變化如圖8 所示。

圖8 星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)星點(diǎn)坐標(biāo)變化曲線Fig.8 Point coordinate change curves in the star sensor thermal stability test

4 結(jié)束語

光軸熱漂移是星敏感器在軌測(cè)量誤差中低頻誤差主要來源之一。通過對(duì)星敏感器進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，可有效提升其熱穩(wěn)定性。本文以某型星敏感器為例，為測(cè)量其光軸熱漂移，設(shè)計(jì)并開展了星敏感器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)；針對(duì)主要誤差源，給出了試驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)境和設(shè)備誤差的抑制措施；測(cè)試結(jié)果表明，誤差控制措施有效，星敏感器光軸熱穩(wěn)定度為0.114 (″)/℃，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。該試驗(yàn)方案可推廣至其他星敏感器光軸熱穩(wěn)定性測(cè)試試驗(yàn)。