基于多觀測模式的科學衛星構型布局設計與驗證

李昂 趙二鑫 洪斌 張龍

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星裝載高能、中能和低能望遠鏡以及空間環境探測器(SEM)等4個空間探測有效載荷,其主要科學目標是實現1～250 keV的X射線高靈敏度和高空間分辨率巡天成像,探測大批超大質量黑洞和其它高能天體,研究宇宙X射線背景輻射和活動星系核的統計性質。HXMT衛星的主要觀測模式包括巡天觀測模式、小天區觀測模式、定點觀測模式和伽馬暴觀測模式。

衛星基于資源二號衛星平臺,根據有效載荷需求進行了適應性設計,衛星構型和布局則以有效載荷需求為中心,采取多種措施,一方面滿足有效載荷觀測需求,另一方面為有效載荷創造良好的力熱環境。由于有效載荷具有巡天、小天區、定點和伽馬暴等觀測模式,導致衛星沒有穩定的對地面,為滿足有效載荷低溫需求,衛星采用－Z面安裝遮陽板并在各觀測模式下采用－Z面對日定向的姿態,保證有效載荷不受太陽直射;為保證有效載荷的高精度觀測,將星敏感器與有效載荷進行一體化共基準安裝,星敏感器支架采用碳纖維復合材料以提高連接剛度并減小熱變形;主有效載荷——硬X射線調制望遠鏡質量為970 kg,為降低有效載荷動力學響應,將載荷艙高度由1050 mm降低到660 mm,將平臺設備盡量安裝到服務艙,為此,需提高服務艙裝填密度;同時構型布局設計還要兼顧衛星的總裝可操作性,以方便地面總裝集成、起吊、運輸等操作[1]。

1 HXMT衛星多觀測模式對構型布局需求分析

HXMT衛星所承載的X射線望遠鏡為實現其科學目標需要完成巡天、定點、小天區和伽馬暴觀測,望遠鏡光軸需要指向天空;且構型上要盡可能降低衛星平臺對有效載荷感生本底干擾和屏蔽地球大氣的反照本底,即有效載荷的探測方向需要背向衛星服務艙安裝。同時需要進行各觀測模式對衛星構型布局的需求分析。

1.1 巡天觀測模式

巡天觀測模式用于發現被塵埃遮擋的超大質量黑洞和大量未知天體,研究宇宙硬X射線背景和活動星系核的統計性質,以加深對超大質量黑洞起源、形成和吸積歷史、星系形成和演化等的認識。巡天觀測模式要求整星－Z軸對日定向慢旋,在慢旋中保證安裝在星體＋X方向的望遠鏡視場不會受到地球遮擋,控制衛星本體坐標系時刻與當前目標坐標系重合,即可實現巡天觀測模式的控制要求。選擇星敏感器作為姿態測量部件,為實現星敏感器與望遠鏡指向的精準性,需要在構型布局設計中保證甚高星敏感器與望遠鏡為共基準安裝。

1.2 定點和伽馬暴觀測模式

定點觀測模式用于對黑洞、中子星、活動星系核等高能天體的定向觀測,分析其光變和能譜性質,研究致密天體和黑洞強引力場中物質的動力學和高能輻射過程;且在此觀測模式下可以對亮的脈沖星和X射線雙星實施定向觀測,進行快速的時變分析。定點觀測模式要求衛星＋X軸指向空間某一位置,通過對整星姿態進行控制,保證＋Z面以及±Y面不受太陽照射,太陽翼在對準太陽后處于保持模式。定點觀測模式下需要著重解決能源與熱控問題,即改善太陽翼的日照條件以及有效載荷的低溫熱控;為保證有效載荷的低溫要求,減小太陽熱流的影響,需要在衛星－Z面設置遮陽裝置。

伽馬暴觀測模式是通過降低主探測器光電倍增管的高壓,改變望遠鏡的探測能區,從而實現對特定天體高能區伽馬射線暴的觀測,屬于一種特殊的定點觀測,對構型布局需求與定點觀測模式相同。

1.3 小天區模式

小天區深度掃描模式與定點觀測模式非常相似,都是相對慣性空間定向,定點觀測的觀測目標為慣性空間某一點,而小天區深度掃描的觀測目標為慣性空間某一有限張角的區域。小天區掃描模式要求衛星＋X軸指向局部天區進行逐行掃描,太陽翼在對準太陽后保持不動。該觀測模式對構型布局的需求與定點觀測模式一致。

1.4 其他模式

衛星在軌運行除了正常的觀測模式,還有許多其他必要的傳統工作模式,如發射入軌模式、姿態機動模式、軌控模式、應急模式等。衛星構型布局設計與工作模式設計是一個相互迭代和促進的過程,因構型上在－Z面設置了遮陽裝置,衛星在姿態機動和軌控工作模式中,均首先將衛星轉入－Z軸對日狀態,而這又會對遮陽裝置的遮陽能力及構型尺寸提出需求。特別是HXMT衛星采用傾斜軌道,太陽光照條件較為復雜,考慮星上能源需求,為保證軌控期間太陽翼仍具有較好的日照條件,需根據構型對軌控姿態進行優化設計,并對姿軌控推力器進行合理布局設計。

在各種觀測模式下,－Z面均會受到陽光的照射,溫度較高,而＋Z面均不會受到陽光照射,溫度相對較低,則構型布局設計時應考慮將熱耗較高設備盡量靠近星體＋Z側。

2 HXMT衛星適應多觀測模式構型布局設計

2.1 整星模塊化、集成化構型設計

HXMT衛星整星構型采用模塊化分艙段的設計思路[2],劃分為獨立的載荷艙和服務艙。為適應主有效載荷——硬X射線調制望遠鏡安裝,載荷艙承力筒采用倒錐形式,上、下端框直徑分別與主有效載荷及服務艙承力筒相適應。

HXMT衛星采用模塊化分艙段構型設計,既利于服務艙繼承使用,又利于有效載荷的集成化。載荷艙獨立設計,可以使有效載荷更靈活的根據用戶的需求而改變,且易于實現載荷艙的布局、總裝和測試[3]。

HXMT衛星整星發射質量2496 kg,衛星本體為立方體構型,截面為1.8 m×2 m。服務艙高度為1.6 m,載荷艙高度為0.6 m。衛星±Y面均安裝太陽翼,發射時,太陽翼折疊收攏壓緊在衛星兩側,發射狀態衛星的輪廓尺寸為Φ2.9 m×4 m,衛星發射狀態構型如圖1所示;入軌后,衛星太陽翼展開狀態的橫向尺寸為15 m,衛星入軌太陽翼展開狀態構型如圖2所示。

圖1 衛星發射狀態構型Fig.1 Configuration of launch

圖2 衛星飛行狀態構型Fig.2 Configuration of flight

2.2 低本底干擾載荷布局設計

HXMT衛星主有效載荷硬X射線調制望遠鏡為一體化安裝的高能、中能、低能望遠鏡[4],外包絡尺寸1.9 m×1.6 m×0.9 m,總質量970 kg。望遠鏡主結構配置有3層安裝板,其中上板為高能、中能、低能望遠鏡準直器提供安裝平臺;下板位于底部(載荷艙內),主要作用是將主探測器的光電倍增管外殼法蘭聯結成一體,提高整體結構的剛度。中板法蘭作為主有效載荷與星體機械的連接面,設置有定位銷孔和安裝連接孔,用于與載荷艙定位和連接。

HXMT衛星采用模塊化分艙段的構型設計,為隔離平臺對望遠鏡探測器的感生本底干擾,將望遠鏡安裝在獨立的載荷艙頂面,并將有效載荷視場背向服務艙安裝。采取這種構型布局設計,并通過合理優化衛星飛行姿態,可以保證有效載荷對天指向,視場內無遮擋,并且高能望遠鏡可以通過碘化銫(CsI)屏蔽掉荷電粒子與衛星服務艙物質作用產生的感生本底,同時屏蔽大氣反照本底,使得望遠鏡視場中背景均勻分布。HXMT衛星望遠鏡布局設計如圖3所示。

圖3 衛星望遠鏡布局Fig.3 Configuration of telescope

2.3 星敏感器與望遠鏡一體化安裝布局設計

為保證硬X射線調制望遠鏡光軸的指向確定精度,除要求望遠鏡與星敏感器實施在軌標定外,還需要從總體構型布局設計方面進行保障。為最大限度減小有效載荷與星敏感器在發射段及在軌飛行期間的熱變形以及在軌期間結構熱變形的同步性,必須將有效載荷與星敏感器安裝于同一主結構[5];并保證主結構的強度與剛度,以此來降低二者之間的相對形變;此外,結構要滿足一定的精度要求,提供結構精度基準,保證有效載荷與星敏感器安裝所需要的特殊安裝精度;且為進一步提高星敏感器相對望遠鏡的連接剛度,實現共基準安裝,星敏感器支架采用碳纖維復合材料,在保證連接剛度的基礎上,實現了結構的輕量化。HXMT衛星星敏感器與望遠鏡一體化安裝布局設計如圖4所示。

圖4 星敏感器與望遠鏡一體化安裝布局Fig.4 Integrated installation of star sensor and telescope

2.4 多維高效遮陽板布局設計

通過對觀測模式和觀測時機進行分析,在定點觀測模式和小天區掃描模式下,望遠鏡依然無法避免受到太陽照射[6]。因此,HXMT衛星在構型布局設計中需要增加遮陽板,以解決陽光與＋X軸夾角在70°～90°以及與±Y夾角11°時望遠鏡受到陽光照射問題。

望遠鏡的有效載荷遮陽板的作用主要用于遮擋陽光,減小有效載荷的空間外熱流[7]。載荷遮陽板采用－Z向板同側向支撐桿的組合結構形式。方案主要考慮,既可以遮住從－Z方向照射的太陽光,又能夠減小對熱控散熱面的遮擋,因此采用單板加支撐桿的結構形式。有效載荷遮陽板A的尺寸為2.1 m×1.5 m。

HXMT衛星除設置有效載荷遮陽板外,亦在衛星－Z面設置6塊窄遮陽板B和C,以對衛星除對日面外的其他面形成多維的遮陽效果,更利于衛星本體和有效載荷的散熱。HXMT衛星多維遮陽板布局設計如圖5所示。

圖5 多維遮陽板布局Fig.5 Layout of multidimensional sun visor

2.5 高功能密度設備布局設計

硬X射線調制望遠鏡為資源二號衛星平臺衛星目前最重的單個有效載荷,為了降低望遠鏡動力學響應,從構型上將載荷艙高度壓縮到最低,由目前普遍1 m以上高度降到660 mm,保障單層設備的總裝操作即可,平臺設備全部安裝在服務艙中。

HXMT衛星平臺設備布局采用劃功能區、高密度布局的設計思想,即將用于同一功能實現的分系統設備布置在同一功能區,且功能區內的儀器設備在滿足總裝操作和綜合測試的前提下,盡可能相對衛星縱軸(＋X軸)緊湊安裝。提高儀器設備布局的功能密度,亦是整星構型模塊化、集成化的體現,每個功能區即可視作獨立的功能模塊或功能子模塊,在衛星集成過程中,有效的較少或縮短了儀器設備間的電纜連接,更利于分系統級的聯試與驗證;提高儀器設備布局的功能密度[8],更是降低衛星轉動慣量,提高在軌敏捷性的重要措施。服務艙按照功能系統主要劃分為4個功能區:電源功能區、控制功能區、數傳功能區和測控/數管功能區,各功能區內儀器設備布局緊湊,電纜連接簡短,功能區之間通過單根電纜即可實現跨區連接,通過功能區劃分進行設備布局,服務艙干重由目前約900 kg提高到1000 kg多,同時有效簡化了電纜路徑。

3 HXMT衛星構型布局結果分析與驗證

3.1 整星剛度分析與驗證

HXMT衛星整星采用服務艙＋載荷艙的構型形式,其中服務艙基本結構布局采用資源二號衛星平臺的結構布局,該構型已歷經多星的成功發射驗證;載荷艙為提高望遠鏡的承載剛度和在軌穩定性采用中心承力筒＋型板式結構布局,與服務艙直接通過中心承力筒進行連接,傳力路徑更直接可靠。為提高有效載荷遮陽板A的整體剛度和局部強度,有效載荷遮陽板A采用碳纖維材料面板蜂窩夾層結構,亦實現了整體結構的輕量化。HXMT衛星構型布局經力學試驗驗證,整星縱向基頻為54.65 Hz,橫向基頻為13.99 Hz和13.88 Hz,均滿足運載火箭的基頻要求。HXMT衛星的成功發射亦驗證了整星構型布局設計的合理性。

3.2 運載相容性分析與驗證

HXMT衛星加注后整星質量為2.6 t,尺寸包絡為Φ2.9 m×4 m,滿足運載火箭的質量約束和整流罩內包絡的尺寸約束,且衛星與運載火箭采用標準的1194A星箭接口。HXMT衛星在運載火箭整流罩內的發射狀態如圖6所示,衛星與運載火箭的順利對接驗證了整星構型尺寸及布局設計滿足要求。

圖6 HXMT衛星在整流罩內的發射狀態Fig.6 Launch state in fairing

3.3 望遠鏡視場分析與驗證

HXMT衛星主有效載荷望遠鏡的視場直接關系到對空間科學目標的觀測。根據衛星的有效載荷布局設計,高能、中能和低能望遠鏡安裝在載荷艙頂板,觀測方向為對天觀測(＋X方向)。高能望遠鏡的合成視場為5.7°×5.7°半錐角,其視場內無遮擋;中心部位6個單體面向中心側單邊視場1.1°,如圖7所示,望遠鏡中心的星敏及－Z面的遮陽板對高能望遠鏡的視場均無遮擋。中能望遠鏡的視場1°×4°(半錐角),由于有效載荷遮陽板A較高,其頂部與望遠鏡頂部中能望遠鏡視場較近,為此將遮陽板A頂部中央580 mm×250 mm范圍向－Z方向凸出22 mm(見圖5),望遠鏡頂部中能望遠鏡視場與遮陽板A最近距離達到26 mm,無遮擋。低能望遠鏡合成視場6°×6°(半錐角),僅望遠鏡中心的星敏感器距離較近,經分析不會對低能望遠鏡視場產生遮擋,中能和低能望遠鏡的視場分析如圖8所示。HXMT衛星在軌已進行正常的觀測,望遠鏡視場區域內無衛星設備背景,驗證衛星構型布局設計未對望遠鏡各探測視場造成遮擋。

圖7 高能望遠鏡視場分析Fig.7 Field analysis of high energy telescope

圖8 中能、低能望遠鏡視場分析Fig.8 Field analysis of medium energy and low energy telescope

3.4 遮陽板遮陽效果分析與驗證

有效載荷遮陽板A是為解決在衛星定點觀測和小天區掃描觀測時,當陽光與星體X面成20°與Y面11°的情況下,不會對望遠鏡探測器進行照射,從而降低望遠鏡的外熱流,保持有效載荷的低溫需求。如圖9所示,陽光與頂面成20°與側面11°情況下,有效載荷遮陽板A的遮陽范圍(圖9中虛線所示區域),可看出有效載荷遮陽板A能夠完全遮蔽高能、中能和低能望遠鏡本體和望遠鏡中心安裝的星敏感器。HXMT衛星已在軌進行定點觀測和小天區掃描觀測,未出現有效載荷熱控不正常的情況,有效載荷遮陽板A起到了遮擋作用。

圖9 有效載荷遮陽板A對望遠鏡探測器的遮擋分析Fig.9 Sheltering analysis of sun visor to telescope

3.5 總裝及測量實施性分析與驗證

HXMT衛星整星采用模塊化分艙設計,有效的提高了衛星總裝操作和綜合測試的開敞性。在總裝操作過程中,衛星兩艙外板不安裝,先進行有精度要求設備的安裝及精測,然后進行艙內設備的安裝。衛星的測試大致分為兩艙分離狀態下測試、兩艙對接后的測試。兩艙對接后的測試分為不裝外板、裝外板狀態測試。星上有精度要求的設備主要為控制、推進、有效載荷分系統設備。望遠鏡安裝精度靠加工保證,安裝完畢后進行實測;艙內精測設備通過在外板設置相應精測通路及轉移基準即可滿足總裝測量需求。HXMT衛星在整個衛星總裝、集成和測試(AIT)過程中均順利完成,驗證了構型布局設計的合理性。

4 結論

HXMT衛星構型布局設計作為總體設計的重要工作之一,必須以滿足科學目標實現為基礎,以適應和支持衛星巡天觀測模式、定點觀測模式、小天區模式和伽馬暴觀測模式為任務需求,實現HXMT衛星適應望遠鏡多種觀測模式的構型布局設計,結論如下:

(1)通過分析衛星各種觀測模式的工作特性,歸納衛星各觀測模式對構型布局的設計需求:為降低衛星平臺對有效載荷感生本底干擾和屏蔽地球大氣的反照本底,即有效載荷的探測方向需要背向衛星服務艙安裝;為實現星敏與望遠鏡指向的精準性,需要在構型布局設計中保證星敏感器與望遠鏡為共基準安裝;為保證有效載荷的低溫要求,減小太陽熱流的影響,需要在衛星－Z面設置遮陽裝置。

(2)采用模塊化、集成化的原理,實現整星服務艙＋載荷艙的構型設計,不僅實現了總裝操作的方便性和并行集成的需求,更易于形成獨立的平臺模塊,提高了平臺的可拓展性;將望遠鏡有效載荷安裝在獨立的載荷艙頂面,并將有效載荷視場背向服務艙安裝,降低了有效載荷的感生本底干擾,并有效屏蔽了地球大氣的反照本底;采用星敏感器與望遠鏡的一體化共基準安裝布局的方式,保證了望遠鏡光軸指向的確定精度;通過合理設計遮陽板構型與布局,實現了衛星定點觀測與小天區掃描觀測的需求;采用功能區劃分與高密度布局的思想,實現了服務艙平臺設備的高功能密度布局設計,有效降低了載荷艙高度并減少了線纜連接,提高了總裝的可實施性。

(3)HXMT衛星支持多種觀測模式的構型布局設計的合理性與正確性,在衛星總裝與測量、綜合測試、力/熱試驗考核、衛星發射與在軌運行等各階段均得到了驗證,亦為我國后續空間科學探測衛星構型布局設計提供了指導與參考。

HXMT衛星成功發射和在軌穩定運行,驗證了衛星構型布局設計的正確性,對未來我國空間科學探測衛星的構型布局設計具有很好的借鑒意義。

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