某衛(wèi)星固面反射器熱變形測試分析與模型修正

萬小平，于新戰(zhàn)

（中國空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710100）

某衛(wèi)星固面反射器熱變形測試分析與模型修正

萬小平，于新戰(zhàn)

（中國空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710100）

為評(píng)估反射器在軌熱變形對(duì)天線射頻性能的影響，文章詳細(xì)介紹了某衛(wèi)星固面反射器的熱變形測試過程，分析了測試結(jié)果及有關(guān)數(shù)據(jù)處理方法。通過熱變形測試驗(yàn)證了測試產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝的合理性，并基于測試結(jié)果修正了分析模型，有助于提高反射器在軌熱變形分析精度。

反射器；熱變形測試；攝影測量；分析模型

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，多功能衛(wèi)星系統(tǒng)日益增多，載荷系統(tǒng)中的天線數(shù)量也越來越多。為滿足衛(wèi)星與火箭的結(jié)構(gòu)相容性，衛(wèi)星天線多采用可展開結(jié)構(gòu)形式。其中，一維固面可展開天線應(yīng)用較為廣泛。天線在軌工作階段，在空間熱載荷作用下，反射器的型面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形即熱變形，而熱變形是影響天線射頻性能的重要因素之一，尤其對(duì)于熱變形較為敏感的天線更是如此。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)反射器在軌熱變形對(duì)天線射頻性能的影響，需要對(duì)反射器進(jìn)行熱變形測試，并基于測試結(jié)果修正熱變形分析模型，以提高反射器在軌熱變形分析的準(zhǔn)確度，進(jìn)而采取措施降低天線在軌射頻性能因熱變形而發(fā)生惡化的風(fēng)險(xiǎn)。

在中國空間技術(shù)研究院承擔(dān)研制的“鑫諾五號(hào)”通信衛(wèi)星項(xiàng)目中，采用2副一維可展開固面天線，并對(duì)其中一副口徑為3 m×2.2 m的一維可展開固面反射器采用攝影測量方法進(jìn)行了熱變形測試。測試在法國圖盧茲INTERSPACE公司的真空設(shè)備中進(jìn)行，分別測試了常溫（20 ℃）、高溫（100 ℃）、低溫（-150 ℃）工況下反射器的型面精度，分析了高、低溫工況相對(duì)于常溫工況的熱變形誤差，并與熱變形的分析預(yù)示結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)研究，修正了仿真分析模型。本文將詳細(xì)介紹這次熱變形測試的測試設(shè)備、測試過程、測試結(jié)果比對(duì)分析情況，以及仿真分析模型修正結(jié)果。

1 熱變形測試情況

固面反射器熱變形測試系統(tǒng)具體包括真空高低溫設(shè)備、攝影測量設(shè)備及固面反射器3部分，三者之間的分布如圖1所示，支撐結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。其中攝影測量設(shè)備為VSTAR系統(tǒng)，采用一臺(tái)固定相機(jī)。固面可展開反射器與攝影測量基準(zhǔn)放置于支撐結(jié)構(gòu)上；試驗(yàn)過程中為確保反射器溫度的均勻性及型面的測量精度，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)反射器一起緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。為消除試驗(yàn)過程中支撐結(jié)構(gòu)對(duì)反射器熱變形的耦合影響，支撐結(jié)構(gòu)通過3個(gè)支撐點(diǎn)將反射器進(jìn)行簡支[2]。

圖1 熱變形測試系統(tǒng)Fig.1 The thermal distortion test system

圖2 支撐結(jié)構(gòu)Fig.2 The support structure

反射器為固面可展開結(jié)構(gòu)形式（見圖3），采用碳纖維-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，具體包括賦形反射面、展開臂及背部加強(qiáng)筋。

圖3 固面反射器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 The structure of the CFRP reflector

為準(zhǔn)確獲取反射器各部位的溫度，試驗(yàn)中在反射面、展開臂、測量基準(zhǔn)等部件上共粘貼了29個(gè)溫度傳感器[1]，具體分布如圖4所示。

圖4 反射器溫度傳感器分布Fig.4 The thermocouples on the reflector

試驗(yàn)過程中反射器安裝于高低溫真空試驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)見圖5，為獲取反射器型面相對(duì)于展開臂展開軸的轉(zhuǎn)角誤差，在展開軸處安裝了測試基準(zhǔn)（見圖6）。

圖5 反射器安裝于高低溫真空試驗(yàn)設(shè)備中Fig.5 The reflector mounted in the test system

圖6 展開軸測試基準(zhǔn)Fig.6 Test base of the deployment axis

根據(jù)天線的在軌熱分析結(jié)果確定了高溫（100 ℃）與低溫（-150 ℃）2個(gè)極限工況進(jìn)行測試，試驗(yàn)過程的溫度控制曲線如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)過程溫度控制曲線Fig.7 The temperature control curve in the test

圖7中的M1～M7為型面精度測試時(shí)點(diǎn)：M1為反射器安裝于支撐結(jié)構(gòu)后；M2為高低溫真空設(shè)備關(guān)閉后；M3為抽真空并高溫80 ℃除濕后；M4與M5分別為低溫與高溫工況；M6為試驗(yàn)后溫度恢復(fù)至常溫；M7為恢復(fù)常壓后。因此，濕度對(duì)反射器型面精度的影響為M3時(shí)刻與M2時(shí)刻的型面測量值間的差值（M3-M2）；而低溫工況下的型面熱變形為M4-M3；高溫工況下的型面熱變形為M5-M3。

2 熱變形測試結(jié)果

試驗(yàn)中按照?qǐng)D7所示的溫度控制曲線，完成了所有的工況測試，溫度誤差滿足要求，測試數(shù)據(jù)有效，其中低溫工況熱變形測試階段的典型測溫點(diǎn)溫度曲線如圖8所示。各工況型面精度與轉(zhuǎn)角偏差結(jié)果分別如表1與表2所示。圖9和圖10分別為高溫工況的熱變形型面偏差分布和熱變形指向偏差分布[3]。

圖8 低溫工況熱變形測試階段典型測溫點(diǎn)溫度曲線Fig.8 The typical temperature cycle curves in LT case

表1 各工況熱變形型面偏差測試結(jié)果Table 1 The surface error of the thermal distortion test results in different cases

圖9 高溫工況的熱變形型面偏差分布Fig.9 The thermal distortion surface error distribution in HT case

表2 各工況熱變形指向偏差測試結(jié)果Table 2 The pointing errors of the thermal distortion test result in different cases

圖10 高溫工況的熱變形指向偏差分布Fig.10 The pointing error distribution in HT case

從表1和表2所示測試結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1）型面精度攝影測量誤差小于 30 μm，與總熱變形573 μm相比，測量誤差僅為5.2%，滿足小于10%的誤差要求；

2）濕度造成的反射器變形型面偏差為122 μm，約為極限低溫工況下熱變形型面偏差的21%；

3）極限低溫工況下反射器的熱變形型面偏差為573 μm，指向偏差最大為0.028 1°；

4）極限高溫工況下反射器的熱變形型面偏差為280 μm，指向偏差最大為0.039 6°；

5）M6-M3結(jié)果顯示熱真空循環(huán)前后反射器型面精度穩(wěn)定。

根據(jù)上述測試結(jié)果，對(duì)反射器熱變形仿真分析模型進(jìn)行了修正，修正后的高溫與低溫工況下的熱變形分析結(jié)果如表3所示。

表3 反射器熱變形仿真分析結(jié)果Table 3 Analysis result of the thermal distortion surface error

圖11和圖12分別為低溫和高溫工況下熱變形分布的分析結(jié)果。

圖11 低溫工況熱變形分析結(jié)果Fig.11 The thermal distortion analysis result in LT case

圖12 高溫工況熱變形分析結(jié)果Fig.12 The thermal distortion analysis result in HT case

熱變形分析與測試結(jié)果的比對(duì)如表4所示。結(jié)果表明，基于反射器熱變形測試結(jié)果修正熱變形仿真分析模型后，熱變形型面精度分析與測試結(jié)果間在總變形上的差值為88 μm，滿足小于150 μm的要求，仿真模型準(zhǔn)確、可用。

表4 反射器熱變形測試與仿真分析結(jié)果比對(duì)Table 4 The comparison between test and analysis

3 結(jié)束語

本文通過極限高低溫工況的熱變形型面精度測試，獲取了反射器在高低溫下的熱變形，驗(yàn)證了現(xiàn)有反射器的設(shè)計(jì)與加工工藝的合理性。同時(shí)修正了反射器熱變形仿真分析模型，提升了此類反射器的產(chǎn)品成熟度，為更準(zhǔn)確預(yù)示反射器在軌熱變形奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)而有助于降低反射器在軌射頻性能惡化的風(fēng)險(xiǎn)。

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[1]MAMOU M.Special TED test procedure for Ku band reflector.Interspace: IP-10-S5-004[R], 2010

[2]STEGMAN M D.Solar thermal vacuum testing of deployable mesh reflector for model correlation[R].JPL, 2010-03

[3]DAVID J F.SINOSAT-5 Ku domestic TED report: TAS-10-SINO-161[R].TAS, 2010

（編輯：張艷艷）

Test and analysis of thermal distortion of a deployable CFRP reflector

WAN Xiaoping, YU Xinzhan
(China Academy of Space Technology (Xi’an), Xi’an 710100, China)

This paper presents in detail the structure of the reflector, the thermal distortion test system and the measuring procedure, and analyzes the measurement results and the data processing methods.The measurement results validate the mechanical design and the manufacturing process of the product, and provide a basis to correct the thermal distortion analysis model for a precise analysis of the thermal distortion of the reflectors.

reflector; thermal distortion test; photogrammetry; analysis model

V414.3

：B

：1673-1379(2016)06-0672-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.018

萬小平（1977—），男，高級(jí)工程師，從事空間天線的結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)技術(shù)研究。E-mail: 13669194798@163.com。

2016-06-01；

：2016-11-17

衛(wèi)星型號(hào)項(xiàng)目支持