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基于蜂窝板铺层技术的某光学卫星有效载荷安装面的热变形优化杨林跹宜’弘,魏磊郧’,山东青岛;蕉ù笱Э占淇蒲а芯吭海蕉机支腿安装平面的平面度、角度以及整星列痁”,别痁方向的一阶基频分别为,,.一,畇,琖,。,第卷第摘要:本文基于增强树脂碳纤维铺层优化设计的方法对某光学卫星的结构热变形进行了优化设计和试验验证。首先分析得到卫星所在太阳同步轨道的外热流数据,然后根据外热流数据及卫星热特性分析计算得到卫星各舱板的高温工况和低温工况的温度载荷分布情况。根据极端工况卫星平台的温度载荷,以铺层角度作为设计变量,分析求得卫星平台相龇较蛞唤灼德实谋浠榭觥7治鍪荼砻鳎蹦恳J毕嗷沧鞍的蜂窝板面板铺层角度顺序为#,#。,,载荷安装面热变形最小,整星基频满足运载火箭要求。经过热试验和振动试验验证,该设计方案在热载荷影响下,有效载荷安装面的平面度优于浠嵌扔庞,满足光学相机安装精度及运载火箭对卫星基频的相关要求。关键词:光学卫星;结构优化;铺层优化;热变形;外热流;基频,痀/基金项目:山东大学基本科研业务经费资助项目年文章编号—.—中图分类号:文献标识码:/一,—’.琒,甀,,:篊,:甧.:.猻瓵,:——:修订日期:——..
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斓廊然肪撤治引言光学精密工程#,#,。,,。保琣‘近年来,卫星对地观测成为航空航天领域的研究热点,光学遥感卫星作为对地观测的主力军,逐步向更高精度和更高分辨率发展,因此对卫星相关技术提出了更高的要求。其中,卫星平台结构作为光学有效载荷的安装基准,有义务为光学有效载荷提供良好的安装平面精度和长期在轨热稳定性。轨道温度环境中的热变形随温度而变,需通过设计措施保证热变形在规定的范围内,同时结构设计应保证卫星结构不会因温度载荷产生的热应力而发生破坏口1疚脑谀D夤道外热流的影响下,通过优化有效载荷安装面的蜂窝板增强树脂碳纤维珻铺层角度,从而实现对热变形的抑制。本文的研究对象是一颗高分辨率太阳同步轨道卫星,所谓太阳同步轨道就是轨道的升交点赤经谋浠实扔诘厍蚬5钠骄撬俣.。痙沟梦佬枪斓榔矫妗⒌厍蚝吞三者之间的关系基本保持不变,有利于对地面的观测4蠖嗍敉焦斓栏叨冉橛~,可以获得稳定的太阳光照和对地观测条件∞N佬枪斓栏叨任太阳同步轨道,轨道倾角为.。,降交点地方时为:。太阳同步轨道的特点使得运行在该轨道上的遥感卫星外热流环境复杂,因而有效载荷安装面的热变形较大且复杂。为获取高质量的对地观测遥感图像,卫星平台要具有高姿态指向精度,高稳定度,有效载荷成像高分辨的前提下,还需要降低卫星图像配准的难度,即尽量减小卫星平台有效载荷安装面热变形对载荷的影响。传统的安装面热变形解决方法包括采用柔性连接消除有效载荷安装板与侧板之间的热变形耦合嵋跋嗔诠辜吲蛘拖凳ヒ臁狈椒ú,以及自适应热变形主动控制补偿结构等。本文对太阳同步轨道遥感卫星有效载荷安装面的热变形方法进行了研究,提出基于铺层技术,对安装面铺层角度进行优化,实现热变形抑制,其成本更低、可靠性更高。然而,在优化铺层角度时不仅要关注热变形,还需要关注卫星的总体基频,以满足运载火箭要求。本文以某高精度遥感卫星为例,设计了有效载荷安装面的热变形抑制方案,并分析优化趋势,通过试验验证了工艺可行性。本文描述的卫星为大幅宽、高分辨率的光学遥感卫星,整星质量,采用六面体构型。封闭卫星载荷舱由有效载荷安装板、对接板、±濉ⅰ繷搴筒漳诟舭宓裙钩桑漳安装各种电子学单机设备及推进分系统。离轴三反式光学载荷通过三个刚性支腿支撑,由于高分辨率相机对于热变形较为敏感,因此需要对相机安装面热变形进行控制哺6越影辶佣越踊在发射时间段内用来承载整星。卫星平台的结构布局如图尽太阳同步轨道卫星受照面相对固定,卫星春第卷痀/,琧猳,,.,.簅籹;籬—;—
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.,荔然≮’:瞻杨林,等:基于蜂窝板铺层技术的某光学卫星有效载荷安装面的热变形优化秋分绕偏航轴机动#苷彰婺瓯浠 P翘温差的温度场相对固定阳7⑸淙斯旌螅佬牵甖轴对日定向保持三轴稳定;照相及数传过程中,卫星轴对地定向三轴稳定,每轨最长拍照时间为抗熳畛な奔湮慌恼栈蚴传任务完成后,卫星一岫匀斩ㄏ蛉嵛榷ā热工况定义根据一年中太阳常数的峰谷值和涂层寿命来定义高、低温工况6痢⑹倜┢谕坎愕退化导致对太阳光吸收的增加,又由于冬至太阳常数最大,导致散热面吸收的外热流较大,同时星内仪器设备的功耗按最大配置,此时为高温工况。夏至、寿命初期散热面吸收的外热流较小,同时星内仪器设备的功耗按最小配置,卫星采取对日定向姿态,此时为低温工况。然后,综合卫星在长期模式下的飞行姿态、外热流分析结果以及工作模式来确定其热分析工况,定义卫星在轨运行期间的高温和低温工况如下:呶鹿た太阳常数取最大值痬冬至多层面膜为聚酰亚***膜,寿命末期,性能参数为口,/.;散热面涂层寿命末期,性能参数为瓯/￡星上仪器设备功耗按最大配置,主动热控。臀鹿た太阳常数取最小值痬夏至多层面膜为聚酰亚***膜,寿命初期,性能参数为吼/.;散热面涂层寿命初期,性能参数为星上仪器设备功耗按最小配置,主动分析计算卫星的高温工况和低温工况外热流图如图尽一一粂一入光通过砑愿梦佬歉呶潞低温工况下的温度状态进行分析,№】,卫星总装过程中温度要求为~℃,而且还需要考虑在轨道运行条件下卫星平台载荷安装面的瞬态变化是否能够满足载荷的使用要求。第.;二叮海弧..堂—一/载荷舱内隔板图佬瞧教ü剐褪疽馔荷安装板及对接板安装面呶鹿た鐾馊攘臀鹿た鐾馊攘图佬窃诟叩臀鹿た鱿碌墓斓劳馊攘—.#~●●—.一—星一睢菀唬苷糏—一葛矗配口痵—·一十Ⅳ—●
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ひ籥。,一∑:一。∑:一。。仿真光学精密工程一乩一%一%热变形抑制方案目前,常见的几种热变形抑制方案如下:叭嵝粤印狈桨浮:采用柔性连接消除有效载荷安装板与侧板之间的热变形耦合,保证有效载荷安装板上载荷的光轴指向精度。跋嗔诠辜吲蛘拖凳ヒ臁狈桨妇:根据温度场的变化对相邻构件间的线膨胀系数进行优化设计,使得相邻构件间的热变形可以相互抑制,以达到抑制整星热变形的目的。爸鞫刂啤狈桨浮阂约且浜辖稹⒈∧ぱ点材料等为基础,将卫星关注区域设计为具备自适应热变形补偿结构。方案峤档驼堑慕峁垢斩群推德剩卫星在发射过程中与运载发生动力学耦合。方案谕馊攘魑榷ǖ那榭鱿驴梢匀〉昧己玫男果,但是卫星在空间飞行过程中外热流处于不断变化中,卫星构件及相互连接关系繁多且复杂,难以有效解决多构件间的热变形耦合。方案不利于卫星工程可靠性和经济性的提高。因此,本文将构件设计为碳纤维面板蜂窝夹层板/碳纤维杆件,根据温度场将碳纤维铺层优化达到近零变形的线膨胀系数酆舷吲蛘拖凳扒慷龋用±。铺层的线膨胀系数可达到埃,热变形最小。这一方案成本较低、可靠性较高,更适用于太阳同步轨道卫星有效载荷安装面的热变形抑制。复合材料热变形特性单向复合材料存在各向异性,除拉压变形的线膨胀系数外,还需要考虑剪切变形的线膨胀系数厅。:。单向复合材料各方向的线膨胀系数为⋯《厅籥。柳凇R豢凇式中:口。,7直鹞5ハ蚋春喜牧涎叵宋痛怪纤维方向的线膨胀系数;狢琺—为计算方向和纤维方向的夹角。设层合材料由愕ゲ悴牧涎貁向叠合而成,当存在温度变化△保瑉—蛏厦扛龅ゲ愕应力孑应变手关系满足式中:唬环直鹞5谥静愕母斩日蠛拖吲蛘拖凳向量,尼一⋯.,,层合板是复合材料结构的特征单元,是结构的基本构成。对称铺层层合板的线膨胀系数式中:厅¨厅。,,反。。,分别为层合复合材料抵的鱿吲蛘拖凳籕为层合材料的刚度矩阵。纤维增强复合材料具有各向异性,可通过优化铺层方式获得所需的力学和线膨胀性能啊矛一忠惶黕如下:一第卷呶鹿た鑫佬瞧教ㄎ露确植臀鹿た鑫佬瞧教ㄎ露确植网叩臀鹿た鱿挛佬瞧教ǖ奈露确植,馡,、●#一
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\杨林,等:基于蜂窝板铺层技术的某光学卫星有效载荷安装面的热变形优化卫星平台外板采用碳纤维面板铺层而成,多层预浸料以一定的角度层叠,实现一定的力学特性,铺层示意如图尽8锰枷宋。的热膨胀系数口¨一×叫/。5娜扰蛘拖数骸R×/。煌ü滩憧梢曰竦×~~.痮娜我馀蛘拖凳碳纤维面板共铺悖ゲ愫穸任.,铺层角度顺序为#伊,#,一汐,#;其中的优化设计变量为凇#。综合考虑角度变化对线膨胀性能的影响和工作效率,取步长为!优化问题求解设优化目标函数为线膨胀系数曰蛴呕问题可表示为,。,。T坏挠呕计是一单变量优化问题,用直接迭代算法求解该变量。根据卫星结构特点建立热变形分析有限元模型,如图尽=衔闹蟹治銮蟮玫奈佬平台温度分布作为整星的载荷输入,设计变量为载荷安装面碳纤维铺层的角度,优化目标为线膨胀系数,优化设计的约束函数为载荷安装界面侧,一啵个载荷安装面的平面度变化和角度变化,痽/较虻幕怠;捣围根据运载火箭的要求设定,痽方向基频大于,较蚧当芸±,以大于为最优。卫星结构优化设计是从多方案中选择最优设计,本文主要采用—遗传算法“,使用工程优化软件建立目标函数和模型,在满足多种约束和设计目标条件下求最优解。这里要求工程人员具有丰富的经验,方能依据设计经验优选最终的方案组合。最后,综合考虑优化结果选择铺层角度。优化设计结果如下:嗪鸵粂侧载荷安装面平面度随着护角度的增大平面度先降低后升高。侧载荷安装面平面度的最小值出现在口一。;一嘣荷安装面平面度的最小值出现在护一。。侧载荷安装面平面度小于其他两个平面,随着口角度的增大其平面度先升高后降低,最大值出现在口一。。不同口载荷安装面的平面度变化如图所示。根据光学载荷要求,当臼。,。保个载荷安装面的平面度变化不大于嗪鸵粂侧载荷安装面角度变化随着口角单调递增;当曰#时,载荷安装面角度的变化幅度较大,当口。,。保睾砂第图佬怯邢拊DP。图庋г睾砂沧懊娴钠矫娑缺浠—。—
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∥、、嘞≯/,~“~,~叠∑螂、,/,,杨林,等:基于蜂窝板铺层技术的某光学卫星有效载荷安装面的热变形优化分析结果如表荆矫娑群徒嵌缺浠闵计要求。然后对卫星进行系统级热真空试验。随后对该卫星进行振动力学环境试验,现场如图所示。在ㄆ嫡穸匝樘跫拢到了痀/龇较虻恼穸煊η撸缤所示。统计痀/龇较虻囊唤灼德什⒑陀限元分析结果对比,结果如表尽J荼砻鳎龇较虻囊唤灼德史直鹞,与仿真结果相符合,满足运载火箭对卫星的基频要求。第图微位移传感器安装位置示意图痀/微位移传感器载荷安装支腿减震器表日婵帐匝榻峁网卫星振动试验现场粝蛞唤咨ㄆ到峁,向一阶扫频结果曲线图卫星特征级正弦扫频结果曲线表佬且唤灼德适匝榻峁敕治鼋峁员猳琩疕
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论的安装精度以及运载火箭对整星系统列痁光学精密工程结甈本文基于蜂窝板碳纤维复合材料铺层优化技术,对某光学卫星的有效载荷安装面结构热变形进行了优化设计。首先分析得到卫星所在轨道的外热流数据,根据外热流数据及卫星热控设计计算得到卫星各舱板的高温工况和低温工况的温度。根据极限工况下分析得到的卫星平台的温度,求得卫星平台相机支腿安装平面的平面度、角度以及整星龇较虻囊唤灼德时浠H参考文献:后进行迭代优化,以W魑2匠ぃ嗦钟呕蟮到:当J保獍宓姆湮寻迕姘迤滩憬嵌人序为『。,#。,一。,一。,#。,。载荷安装面及整星的频率均达到最优状态。然后,实施了整星系统级的热真空试验和振动试验。试验结果表明,设计方案能够满足光学载荷个方向的一阶频率要求。该方案可靠性高、成本低,可为其他类型的光学遥感卫星安装面热设计提供一定的借鉴。刘锋,:—.徐振邦,朱德勇,贺帅,..琈琔.,:盇,珿张鹏飞,程伟,王和,┖娇蘸教齑笱аПǎ琖琗—:.优化设计ご海褐泄蒲г撼ご汗庋Ь芑械与物理研究所,.猳瓹:琖第卷:—.优化庋Ь芄こ蹋,甁:—.,甁:—.粢琈.—甅—:,—甁,,—,.瓻琙琀,.—琓琄.,,—瓺,,.瓺:珻琫—.——,珻—甌—猻甃,.甃
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矗铡撼》既镉氽牟杨林,等:基于蜂窝板铺层技术的某光学卫星有效载荷安装面的热变形优化第猳得博士学位,主要从事卫星结构和机∥現甊琕篈,..:.琒作者简介杨林校蕉隝:人,副研究员,年于中国科学院大学获构设计、卫星动力学优化方面的研究。猰簓甧—瓵通讯作者王岩松,男,辽宁朝阳人,”本├鞹大学获得硕士学位,主要从事结构动力学和航天器微振动技术等方面的研究。猰簑’.甤猰—琓琫..—,一疭