卫星高精度载荷安装平台热变形隔离技术研究

针对我国高分辨率卫星对结构在轨变形的控制要求,提出了一种基于柔性连接的卫星高精度载荷安装平台热变形隔离控制方法,从理论上对该方法进行了分析,并以型号应用为背景进行了验证方案设计及试验验证。验证结果表明,在同样的加载条件下,柔性连接载荷安装基板变形相对刚性连接降低了近1个数量级,表明通过对卫星平台与有效载荷安装基板之间连接结构刚度的柔性设计,能够有效避免卫星平台结构的热变形作用于有效载荷安装基板,使得高精度载荷安装基板不致产生明显的翘曲变形,从而保证安装基板上各敏感载荷的在轨指向相对变化满足指标要求。     

一种四通式星敏感器支架结构设计与分析

为了提高在轨几何定标精度,遥感卫星高精度姿态测量和控制是关键环节之一;星敏感器是最精密的姿态测量部件,提高星敏感器的在轨指向精度意义重大。星敏感器的指向误差主要是由星敏感器支架(以下简称星敏支架)受空间环境影响产生的变形所导致。文章针对某遥感卫星星敏感器指向小于2″精度需求,设计了一种四通式星敏支架,可提供3台星敏感器的安装接口,实现星敏感器一体化安装,并对星敏支架的热稳定性进行了研究。采用有限元法对星敏支架进行了刚度分析,并结合最小二乘法分析了在轨极端工况下温度变化引起星敏感器光轴的变形量。结果表明:星敏支架的带载基频为119Hz,整机振动工况下,星敏感器安装面最大响应不超过8gn,可为星敏感器提供良好的力学环境安装界面;在轨期间星敏支架最大温度波动小于0.5℃,星敏感器指向精度为1.2″,能够实现星敏感器指向精度要求,可为后续星敏支架设计提供参考。     

星敏感器支架多学科多目标优化设计方法

针对高分辨率光学卫星对星敏感器支架结构轻量化和指向精度的严苛需求,文章提出一种基于力学和热学的多学科、多目标拓扑优化方法,并设计了一种高比刚度、高指向精度的圆筒式支架。首先,建立静态柔度最小和动态刚度最大的多目标拓扑优化数学模型,确定优化参数;其次,考虑结构和热稳定性,进行多学科多目标协同优化,获取最优的结构形式;然后,通过有限元法对优化后支架进行热稳定性和动力学分析,利用最小二乘法对热变形数据进行拟合,计算出星敏感器指向精度;最后,进行热真空和振动响应特性试验验证。结果表明:星敏感器组件的结构基频为425.6 Hz,结构轻量化率超过45%,指向精度为2.71″,圆筒式支架具有较高的结构/热稳定性和指向精度,满足卫星对其高性能指标的要求,验证了优化方法的可行性,为高精度器件的结构设计提供了一种有效方法。     

硬X射线调制望远镜卫星望远镜主支撑结构设计与验证

设计了硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星望远镜的主支撑结构,包括高精度上板、高强度支撑筒、可调节的支撑杆、高刚度中板及轻量化下板,可承载高能、中能和低能望远镜,具有质量小、精度高、精度稳定性好、散热好等特点。地面环境模拟试验和在轨验证结果表明:主支撑结构能够保证高能、中能和低能望远镜的指向一致,指向精度满足科学目标要求,从而证明了设计的合理性。     

星载高精度激光平移反射器设计与实现

为了实现星载激光雷达高精度指向确定,文章提出了一种高精度激光平移反射器的设计方案与实现方法.在设计中综合考虑结构力学稳定性、热稳定性和轻量化等因素,应用挠性支撑、胶隔离连接等方案保证激光平移反射器出、入射光轴的稳定性要求;选用碳纤维/环氧树脂复合材料实现激光平移反射器的轻量化设计,并通过碳纤维的对称铺层控制棱镜支撑筒的...     

一种星敏感器支架热变形控制方法

在高精度对地遥感卫星中,对卫星姿态指向精度有严格的要求。星敏感器是卫星姿态测量的主要部件,为减少星敏感器支架(以下简称星敏支架)的热变形对星敏感器指向的影响,需要对星敏支架的热变形进行控制。文章提出了一种在星敏支架与安装结构之间充填钛合金蜂窝夹层结构的方法,利用钛合金蜂窝夹层结构的高热阻、低变形和低刚度特性来控制星敏支架的热变形。通过合理地选择钛合金蜂窝夹层结构的蜂窝芯子的芯格尺寸,在星敏支架刚度下降小于10%的条件下,降低了有效载荷传递至星敏支架的热量。仿真和试验结果表明:钛合金蜂窝夹层结构具有较好的变形控制效果,可将星敏支架的热变形从14″降低至7″,提高了星敏感器的指向精度。此方法可为航天器上其他单机支架和光学载荷安装结构的热变形控制提供参考。     

飞行器程控跟踪相控阵天线安装误差补偿技术

针对窄波束高增益相控阵天线波束指向精度要求高、安装误差对波束指向的影响无法忽略的问题,提出了一种基于光学瞄准的安装误差测量方法,给出了光学测量内容和误差修正矩阵,经某型无人机飞行测试表明,该方法可以减少由安装误差带来的波束指向偏差,对高精度波束指向具有重要意义。     

一种卫星微角振动高精度测量方法

卫星微振动引发的结构微角振动限制了高精度卫星指向精度和姿态控制稳定性,因此有必要对其进行在轨测量。为准确测量卫星结构微角振动,文章在对比不同的测量方法后,提出了一种基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)微角振动传感器的卫星结构微角振动高精度测量方法,并针对由动量轮引起的有效载荷微角振动的特性,进行了仿真和试验验证。试验结果表明,其测量精度满足现阶段卫星控制的要求。此方法能为卫星扰动源的定位及卫星的主动减振反馈提供依据。     

高轨卫星机热一体化星敏感器支架设计

传统轻合金金属材料星敏热器支架由于热膨胀系数一般为10-5/℃,空间热环境下,星敏感器安装面热变形较大,不能满足高精度卫星使用需求。文章给出了一种高刚度高精度微变形机热一体化星敏感器安装支架设计方法,试验表明:星敏感器支架与星敏感器组合体一阶固有频率178.4Hz,具有足够的刚度特性,星敏感器安装面力学环境水平远优于允许值,有效保护了星敏感器的光学部件;同时在轨极端工况下,星敏感器安装面指向最大热变形变化量为6.41″,峰值为1.58″,实现了卫星在轨姿态确定精度优于2.8″,满足了卫星高精度定姿及图像导航配准要求。     

空间高精度太阳跟踪器设计与实现

文章通过对"高分五号"卫星大气环境红外甚高光谱探测仪太阳跟踪器的设计,探讨了航天器高精度高稳定度跟踪指向技术,提出了一种挠性枢轴支撑、音圈电机驱动的高精度跟踪机构设计方法。挠性枢轴传动环节无接触摩擦,能够实现较高精度的轴系支撑;音圈电机具有结构简单、便于控制的优点,适用于短行程快响应的高精度闭环伺服控制系统,同时满足航天产品轻质、可靠的设计要求。跟踪控制采用基于位置反馈的闭环控制实现太阳粗跟踪,结合图像信息反馈的闭环控制实现精跟踪。通过仿真分析和试验测试,验证了机构跟踪精度可达0.065mrad、跟踪稳定度可达14.2μrad。该设计方法可为空间相似载荷的跟踪、扫描系统提供借鉴。     

硬X射线调制望远镜卫星结构设计与验证

根据有效载荷硬X射线调制望远镜(HXMT)质量大且集中安装的特点及总体构型布局,提出了一种卫星结构设计方案。通过简、短、直接的主传力路径设计,多组动量轮一体化安装的高刚度支架设计,大面积、高悬臂薄壁遮阳板结构的刚度改进设计,实现了硬X射线调制望远镜的高刚度、高精度安装,提高了遮阳板结构的刚度,解决了动量轮安装点动力学响应放大的问题。经力学仿真分析、地面试验和在轨试验,验证了卫星结构设计的正确性和合理性。HXMT卫星的结构设计思路及验证方法可为后续卫星结构设计提供参考。     

有效载荷机柜结构优化设计

有效载荷机柜是载人航天器密封舱内安装有效载荷的重要结构,在设计上既要具备一定的刚度保证,以满足发射力学环境要求,又要通过减轻自身重量来提高有效载荷发射能力。文章根据载人航天器密封舱的基本结构设计要求,完成了有效载荷机柜结构的基线设计,进行了有效载荷机柜的有限元建模和模态分析,以减重为目标,刚度为约束条件,完成了有效载荷机柜结构优化设计,并基于敏感度分析得到了有效载荷机柜结构设计参数对其刚度的影响关系。文章的分析思路和研究结果对工程设计具有指导意义。     

阻尼柔性连接在卫星结构中的综合应用研究

卫星结构的热变形是影响卫星光学有效载荷指向精度的主要因素之一,在对国内某在研卫星的有效载荷安装平台热变形过大问题进行分析之后,综合考虑卫星在轨的抖振抑制和发射段减振问题,本文提出了采用高阻尼柔性连接的结构设计来综合解决这三方面的结构问题。阻尼柔性连接结构以金属橡胶制备,充分利用了其非线性刚度和高阻尼比等特性。对卫星设计阶段提出的三种结构方案进行了数值仿真计算,结果表明,金属橡胶阻尼柔性连接结构设计方案能有效的减小有效载荷安装平台的热变形,并抑制卫星在轨抖振和发射段振动,因而具有最佳的综合性能。
     

星载干涉合成孔径雷达高度计波束指向优化设计新方法

基于干涉合成孔径雷达(InSAR)体制的星载高度计能实现高分辨率、宽幅、高精度海面高程测量。传统合成孔径雷达(SAR)系统波束指向设计方法以SAR图像近远端噪声等效后向散射系数差异最小化为优化目标,星载InSAR高度计对海入射角小,如采用传统波束指向设计方法将面临系统近端测高性能优于远端等问题。为使远端测高性能满足应用精度指标要求,系统需提高雷达发射功率或增大雷达天线尺寸,这对卫星系统提出了较高的要求。提出了面向测高应用的星载InSAR高度计波束中心指向设计新方法。该方法通过调整雷达波束中心指向实现全场景测高性能最优化,可有效降低传统设计方法中SAR载荷对发射功率等卫星指标的要求,对未来我国发展InSAR体制海面高度计系统设计具有重要的指导意义。仿真分析结果验证了新方法相对于传统设计方法的优越性。     

航空航天结构轻量化设计与实验方法研究进展

综述了近年来航空航天结构轻量化设计方法，聚焦薄壁结构与连接结构两类主要承载结构轻量化设计进行总结；针对薄壁结构，分析了面向后屈曲行为的轻量化设计、虑及缺陷的鲁棒性设计以及创新轻质薄壁领域的发展动向；针对连接结构，总结了传力路径与区域应力调控两大类设计方法。此外，就轻量化结构的高精度实验方法与数字孪生模型等共性关键问题进行梳理，并展望了未来航空航天结构轻量化设计方法发展前景，为未来研究工作和装备研发提供参考。     

单向曲率抛物反射面可展结构型面精度误差研究

具备大尺度、高精度特性的刚性反射面天线是解决星载微波遥感有效载荷空间分辨率、增益与信噪比等电气指标需求的优选方案,需要采用可展结构设计,以解决卫星尺寸与整流罩包络之间的矛盾。文章针对高精度单向曲率抛物反射面可展结构型面精度误差的分析及预示需求,基于刚体旋转的欧拉理论及正态分布,描述加工精度误差与展开重复精度误差,建立了可展结构型面精度误差的预测模型。并根据Monte Carlo试验结果数据的统计分析方法,开展了面向加工精度误差与展开重复精度误差的敏感度分析。结果表明：板间铰链的展开重复精度对整体型面精度误差的收益高于根部铰链,同等条件下应优先对其进行优化;在整体型面精度误差指标允许的前提下,应适当提高刚性抛物柱面的加工精度误差,从而控制整体型面精度误差的变化区间。     

影响设备安装精度的航天器结构因素及优化措施

航天器姿控及有效载荷设备总装时, 其安装精度是保证分系统正常工作、完成任务的关键技术指标之一。文章基于型号实践, 依据我国现有航天器的结构类型及设备安装特点, 论述了航天器结构本体在各种工作环境、各个阶段对航天器设备总装的精度影响要素;提出了分析、验证方法以及保证精度及可靠性的措施。可对未来的航天器型号的结构设计、总装设计、工艺及测量实施提供参考。     

一种高精度半角反射镜指向机构的设计与实现

为了实现"海洋一号"C/D卫星定标光谱仪的星上太阳定标,完成星下点±30°定标区域内高精度成像,文章采用直接驱动方式设计了一种高精度半角反射镜指向机构。为了避免间接驱动引入的误差,实现角秒级的定位精度,半角机构采用了固体润滑角接触球轴承支撑,高精度分体式直流力矩电机驱动,测角反馈元件为无刷双通道旋转变压器,指向定位控制采用了基于位置反馈的闭环控制。在仿真基础上研制了等比试验件,通过了振动、寿命和温度等试验测试,机构指向和定位精度分别优于36″和18″。仿真和试验结果表明,文章提出的基于直接驱动方式的设计方法能够满足在轨指向高精度的要求,可为后续空间高精度半角机构以及类似的指向定位机构研制提供参考。     

星载大口径反射器组件双向调节低应力装配胶接技术

大口径高精度反射器天线是夺取制信息权和制天权卫星的核心单机,其性能直接影响到数据反演的精度和准确度.大口径高精度反射器的性能核心指标在于反射面成型精度及反射面型面精度稳定性两方面,目前大口径高精度反射器研制的精度指标仍存在不稳定问题.文章提出了一种型口径大于1.5 m的星载大口径高精度反射器的低应力胶接装配技术.通过设计一种双向自由调节装置,保证反射器本体型面自由支撑状态下,通过调节背部接口,完成组件装配,最大限度降低反射器本体型面受力,降低反射器组件装配过程受力对型面精度的影响,确保反射器成型型面的高精度成型,实现反射器组件的低应力胶接装配.最终产品型面精度相较于本体精度,仅降低了不到0.012 mm r.m.s,相较于传统大口径高精度反射器胶接装配型面精度损失达0.03 mm r.m.s以上,该技术方法对高精度反射器成型具有显著提高.     

光纤陀螺测量卫星结构角振动的地面试验验证

针对结构角振动对卫星光学载荷成像影响大,且在轨微振动实时测量较困难的问题,文章对比了国内外角振动测量方法,提出利用光纤陀螺实时测量角振动方法,利用角振动激励台对光纤陀螺测量结果进行了标定,其测量精度满足要求,并测量了动量轮组合工作模式下的卫星载荷安装板的角振动特性。地面试验结果表明:此测量方法合理可行,可为增强卫星在轨的抗振性、提高有效载荷指向精度和稳定度提供参考。