張宗華，徐文杰，顧志悅，周曉寧，程 堯，許 斌，杜嘉旻，魏致坤

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

星敏感器在航天器姿態(tài)測(cè)量和控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是其中最精密的姿態(tài)測(cè)量部件。其以恒星為探測(cè)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)慣性空間三軸姿態(tài)的高精度測(cè)量［1-3］，作為有效載荷成像的絕對(duì)基準(zhǔn)。星敏感器因?yàn)橐晥?chǎng)角度要求的緣故，一般無(wú)法直接安裝到航天器本體結(jié)構(gòu)上，需要專用的儀器支架（即星敏感器支架）進(jìn)行轉(zhuǎn)接。因此，在星敏感器在軌標(biāo)定技術(shù)已經(jīng)成熟的現(xiàn)狀下，星敏感器支架本身的熱穩(wěn)定性已成為影響星敏感器定位精度的主要誤差源［4-9］。

1 任務(wù)背景

大氣探測(cè)激光雷達(dá)對(duì)CO2柱濃度的探測(cè)精度達(dá)到1×10-6，為國(guó)際上領(lǐng)先的指標(biāo)，要求星敏支架安裝面的熱穩(wěn)定性優(yōu)于2″。星敏感器支架設(shè)計(jì)的常規(guī)要求是具有輕量化、高剛度、良好的電導(dǎo)通性及傳熱特性。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，星敏感器支架處于反復(fù)交變的空間溫度環(huán)境中，由于結(jié)構(gòu)材料的“熱脹冷縮”導(dǎo)致星敏感器的指向發(fā)生變化，激光雷達(dá)載荷無(wú)法正常工作。因此，為滿足大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星上激光雷達(dá)有效載荷對(duì)星敏感器支架苛刻的熱變形要求，本文提出了一種基于鋁基碳化硅材料的一體化星敏支架方案，通過(guò)外加熱控罩和精密溫控對(duì)其進(jìn)行等溫化控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)星敏支架的微變形控制。

2 設(shè)計(jì)方案

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星星敏感器支架采用一體化高體分鋁基碳化硅材料（60% SiCp/Al），外加溫控罩，通過(guò)精密溫控對(duì)一體化星敏支架進(jìn)行等溫化控制。星敏感器支架由一體化鋁基碳化硅星敏感器支架（含鈦合金隔熱墊）、溫控罩、控溫系統(tǒng)等組成。星敏支架設(shè)計(jì)狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 星敏支架整體外形Fig.1 Overall view of the bracket with star sensors

2.1 材料選擇

星敏感器支架的材料選擇是支架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，既要保證結(jié)構(gòu)的熱變形小，又要保證導(dǎo)熱性能良好。經(jīng)常使用的航天材料，殷鋼、鈦合金和碳纖維等材料的比剛度和熱膨脹系數(shù)較好，但導(dǎo)熱性較差；而鋁合金的導(dǎo)熱性較好，但熱膨脹系數(shù)較大，不利于熱變形控制。綜合考慮，鋁基碳化硅材料具有比剛度大、熱變形系數(shù)小、導(dǎo)熱性能良好等熱力學(xué)性能［14-17］，尤其是高體份鋁基碳化硅材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)均更優(yōu)。因此，本支架選用了高體分鋁基碳化硅（60% SiCp/Al）作為主體材料，有助于降低星敏支架的熱變形。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

星敏支架主體結(jié)構(gòu)由一體化鋁基碳化硅殼體和鈦合金隔熱墊組成，兩者通過(guò)膠結(jié)加螺接固連在一起，具體如圖2 所示。

圖2 一體化星敏支架Fig.2 Integrated bracket of star sensors

一體化鋁基碳化硅殼體為星敏支架的主體結(jié)構(gòu)，采用60%的高體分鋁基碳化硅材料，具有良好的導(dǎo)熱性能和低膨脹性能?？紤]結(jié)構(gòu)重量和導(dǎo)熱性能的綜合要求，經(jīng)過(guò)多次數(shù)值仿真，殼體厚度設(shè)計(jì)為5 mm；考慮降低安裝面加工精度的難度，在3 個(gè)星敏感器的安裝腳和視軸監(jiān)測(cè)組件安裝腳處設(shè)計(jì)了凸臺(tái)。

為減小激光雷達(dá)基板溫度變化對(duì)星敏支架的影響，在星敏支架與激光雷達(dá)安裝面之間設(shè)置了鈦合金隔熱墊，隔熱墊設(shè)計(jì)為多孔形式，以減小接觸面積，既能保證隔熱效果，又能保持結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定性，如圖3 所示。

從此，西王集團(tuán)進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)道。2005年，西王擁有了第一家上市公司西王置業(yè)，2009年11月，西王食品上市，2012年2月，西王特鋼上市。

圖3 鈦合金隔熱墊設(shè)計(jì)Fig.3 Thermal insulation board of multihole titanium alloy

2.3 熱控設(shè)計(jì)

星敏感器頭部的熱量通過(guò)底部傳到高導(dǎo)熱星敏支架上，經(jīng)星敏支架輻射傳遞給溫控罩上的散熱板，星敏感器及支架的傳熱路徑如圖4 所示。

圖4 星敏支架的傳熱路徑Fig.4 Heat transfer path in the bracket of star sensors

為實(shí)現(xiàn)星敏感器高精度的姿態(tài)控制要求，需要將星敏安裝面的溫度水平控制在（20±3）℃內(nèi)，溫度波動(dòng)量控制在±0.3 ℃內(nèi)，以滿足熱變形的要求。根據(jù)星敏感器的溫度要求及安裝特點(diǎn)，星敏感器及支架的熱控設(shè)計(jì)的方案如下：

1）為減少3 個(gè)星敏外熱流之間的影響和解決星敏頭部的散熱難題，在星敏支架外部設(shè)計(jì)溫控罩，只露出星敏探頭。溫控罩除散熱面外均包覆多層，散熱面采用鋁板外表面噴涂白漆，內(nèi)表面噴涂高發(fā)射率涂層。

2）為保證散熱面即星敏支架熱沉的溫度穩(wěn)定性，降低星敏感器支架的溫度波動(dòng)量，在溫控罩散熱面內(nèi)表面設(shè)置2 路控溫加熱器和2 路高精度測(cè)控溫元件，進(jìn)行一級(jí)控溫。

3）星敏支架除安裝面外噴涂高發(fā)射率涂層，作為輻射散熱面，星敏頭部及支架其余部分包覆多層；星敏支架與激光雷達(dá)之間、溫控罩支撐框與激光雷達(dá)之間均進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)。

4）星敏感器與星敏支架之間進(jìn)行良好的導(dǎo)熱設(shè)計(jì)，安裝界面增加導(dǎo)熱硅脂。

5）每臺(tái)星敏安裝腳附近粘貼高精度測(cè)、控溫元件，在星敏的正下方設(shè)計(jì)電加熱器，通過(guò)高精度測(cè)溫元件和精密控溫儀，采用開(kāi)關(guān)控制和比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制相結(jié)合的控制算法不斷調(diào)整優(yōu)化控制閾值和控溫參數(shù)，保證在軌各季節(jié)星敏安裝面溫度的穩(wěn)定性。

3 熱變形仿真分析

為了獲得星敏支架的熱變形特性，同時(shí)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)指標(biāo)要求的符合性，進(jìn)行了星敏支架的精細(xì)化熱變形仿真分析。要實(shí)現(xiàn)高精度熱變形計(jì)算，前提必須對(duì)支架結(jié)構(gòu)施加準(zhǔn)確的溫度載荷，將熱控計(jì)算得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確映射到支架模型上，計(jì)算出星敏支架在熱載荷下的位移數(shù)據(jù)，擬合星敏安裝面的熱變形法向指向，計(jì)算出星敏安裝面、監(jiān)測(cè)單元基準(zhǔn)面的絕對(duì)熱變形（單個(gè)面）和相對(duì)熱變形（兩兩之間）情況。

根據(jù)外熱流分析及星敏感器支架熱邊界條件，并考慮熱控涂層的壽命初、末期影響，分別選取低溫和高溫工況。為考察絕對(duì)指向變化量的峰峰值以及相對(duì)指向變化量的峰峰值，每個(gè)典型工況一軌內(nèi)每隔10 min 計(jì)算一次。

3.1 絕對(duì)熱變形計(jì)算

在低溫和高溫2 種工況下，相對(duì)20 ℃星敏安裝面及監(jiān)測(cè)單元基準(zhǔn)面絕對(duì)熱變形分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 一軌內(nèi)在相對(duì)20 ℃溫差的低溫和高溫2 種工況下星敏和監(jiān)測(cè)單元安裝面絕對(duì)指向變化量Tab.1 Absolute pointing variations of installation surfaces for the star sensors and monitoring unitunder the high and low working conditions related to the reference temperature of 20 ℃ in one orbit

一軌內(nèi)監(jiān)測(cè)單元基準(zhǔn)面絕對(duì)指向波動(dòng)量（峰峰值）為0.874 8″，可以滿足星敏支架＜2″的指標(biāo)要求。

3.2 相對(duì)熱變形計(jì)算

一軌內(nèi)星敏安裝面相對(duì)監(jiān)測(cè)單元基準(zhǔn)面的指向變化見(jiàn)表2。

表2 一軌內(nèi)星敏安裝面相對(duì)監(jiān)測(cè)單元安裝面的指向變化量Tab.2 Relative pointing variations of installation surfaces between the star sensors and monitoring unit in one

由表2 可知，一軌內(nèi)星敏安裝面相對(duì)監(jiān)測(cè)單元基準(zhǔn)面的最大指向變化為2.647 0″，滿足星敏支架＜6″的指標(biāo)要求；一軌內(nèi)相對(duì)指向峰峰值為1.907 8″，＜2.5″的指標(biāo)要求。

3.3 仿真結(jié)論

經(jīng)過(guò)仿真分析可知：1）一軌內(nèi)星敏安裝面相對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的最大指向變化為2.647″，滿足＜6″的指標(biāo)要求；一軌內(nèi)相對(duì)指向峰峰值為1.907 8″，＜2.5″的指標(biāo)要求。2）一軌內(nèi)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面絕對(duì)指向變化量為（峰峰值）為0.874 8″，滿足＜2″的指標(biāo)要求。

4 熱變形試驗(yàn)驗(yàn)證

為獲取星敏感器支架在不同溫度載荷下視軸監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)與3 臺(tái)星敏感器安裝面之間的相對(duì)指向變化及其波動(dòng)量，得到星敏感器支架在不同溫度載荷下的視軸監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面絕對(duì)指向變化的波動(dòng)量，驗(yàn)證星敏感器支架設(shè)計(jì)方案的合理性，完成了星敏支架熱變形試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)狀態(tài)

星敏感器支架為試驗(yàn)產(chǎn)品，星敏感器為帶光學(xué)測(cè)量棱鏡的模擬件。熱變形試驗(yàn)時(shí)，將安裝基座固定在光學(xué)隔振平臺(tái)上，星敏感器模擬件與支架組合體安裝到安裝基座上，固定安裝均采用螺接形式，安裝位置/高度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，熱變形測(cè)量系統(tǒng)采用光電自準(zhǔn)直儀，在中心視場(chǎng)10″的范圍內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)±0.05″，能夠滿足測(cè)量精度要求。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5 所示。

圖5 熱變形試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Thermal deformation test site

4.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)時(shí)對(duì)星敏安裝面、內(nèi)部傳熱結(jié)構(gòu)以及熱沉安裝面的在軌溫度載荷進(jìn)行模擬，不同工況下星敏安裝面及視軸監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)面均要保證（20±0.3）℃，溫控罩散熱面的熱沉要保證在（-3±0.3）℃。為考核設(shè)計(jì)方案的合理性，設(shè)置了更加惡劣的拉偏工況，熱變形試驗(yàn)工況見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)工況設(shè)置表Tab.3 Setting table of the test working conditions

4.3 溫度加載與控制

為有效模擬星敏感器支架上的溫度分布，對(duì)星敏感器支架的溫度加載措施如下：1）通過(guò)2 路流體回路冷卻的方式對(duì)星敏感器支架安裝基座和溫控罩散熱板進(jìn)行低溫控制，模擬星敏感器支架的溫度邊界；2）通過(guò)電加熱器和精密溫控儀對(duì)星敏支架進(jìn)行精密溫控，待溫度穩(wěn)定15 min 后，通過(guò)相應(yīng)測(cè)試設(shè)備完成星敏感器支架的熱變形測(cè)量。流體回路冷卻方案如圖6 所示。

圖6 流體回路冷卻Fig.6 Diagram of the fluid loop cooling system

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 絕對(duì)熱變形

在各工況下，相對(duì)20 ℃條件（即初始狀態(tài)，未施加溫度載荷），各安裝面相對(duì)于星敏支架安裝基準(zhǔn)（即剛性基礎(chǔ)）的熱變形情況見(jiàn)表4，包括最大值、最小值、峰峰值。可知，在相對(duì)20 ℃條件下，正常工況監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的絕對(duì)熱變形波動(dòng)量為0.78″（峰峰值），拉偏工況下最大絕對(duì)熱變形波動(dòng)量為1.04″（峰峰值）。所有工況下，3 個(gè)星敏安裝面中，最大絕對(duì)熱變形量為6.24″，最大波動(dòng)量為1.93″（峰峰值）。

表4 相對(duì)20 ℃條件下絕對(duì)熱變形試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of the absolute thermal deformations related to the reference temperature of 20 ℃

4.4.2 相對(duì)熱變形

在各工況下，相對(duì)20 ℃條件（即初始狀態(tài)，未施加溫度載荷），各安裝面相對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的熱變形情況見(jiàn)表5。

表5 相對(duì)20 ℃條件下相對(duì)熱變形試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of the relative thermal deformations related to the reference temperature of 20 ℃

由表5 可知，在相對(duì)20 ℃條件下，正常工況星敏安裝面相對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的最大變化量為4.90″，最大相對(duì)波動(dòng)量為1.95″（峰峰值），拉偏工況下最大相對(duì)變化量為-3.44″，最大相對(duì)波動(dòng)量為2.36″（峰峰值）。

4.4.3 在軌數(shù)據(jù)驗(yàn)證

星敏支架的在軌溫度遙測(cè)曲線如圖7 所示。激光雷達(dá)開(kāi)機(jī)后星敏支架的溫度水平控制在19～21 ℃，星敏感器安裝面與監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面受外熱流影響有所波動(dòng)，星敏1a 安裝面的波動(dòng)范圍為19.65～19.83 ℃，星敏1b 安裝面的波動(dòng)范圍為19.53～19.83 ℃，星敏1c 安裝面的波動(dòng)范圍為19.95～20.42 ℃，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的波動(dòng)范圍為19.94～20.41 ℃，波動(dòng)量均在0.5 ℃以內(nèi)，能夠滿足17～23 ℃的設(shè)計(jì)要求。

圖7 星敏支架溫度分布在軌測(cè)試結(jié)果Fig.7 Temperature curves of the bracket for star sensors in orbit

4.4.4 試驗(yàn)結(jié)論

在相對(duì)20 ℃條件下，所有工況下監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的絕對(duì)熱變形波動(dòng)量最大值為1.04″，滿足星敏支架監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的絕對(duì)熱變形波動(dòng)量≤2″的指標(biāo)要求；3 臺(tái)星敏感器安裝面相對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的最大變形量為4.90″，最大波動(dòng)量為2.36″，滿足星敏感器安裝面與監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的相對(duì)熱變形量≤6″、波動(dòng)量≤2.5″的指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從型號(hào)應(yīng)用的工程實(shí)際出發(fā)，針對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星激光雷達(dá)光軸指向的高精度要求，充分利用高體份鋁基碳化硅材料的低膨脹、高導(dǎo)熱性能，并通過(guò)外加溫控罩和精密溫度等溫化控制措施，研制了一種高穩(wěn)定星敏感器支架，通過(guò)仿真分析和地面試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。溫度拉偏狀態(tài)下監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面絕對(duì)熱變形波動(dòng)量為1.04″，星敏安裝面相對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)安裝面的最大變形為4.90″，最大波動(dòng)量為2.36″，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。經(jīng)過(guò)在軌測(cè)試表明，星敏支架穩(wěn)定性在軌表現(xiàn)良好，可以滿足星敏感器和激光雷達(dá)的使用要求。因此，星敏支架的穩(wěn)定性對(duì)衛(wèi)星和有效載荷的定位精度至關(guān)重要。