硬X射線調制望遠鏡衛星望遠鏡主支撐結構設計與驗證

張愛梅 張童 李娜 王娟 楊生

(1中國科學院高能物理研究所,北京 100049)(2北京衛星制造廠有限公司,北京 100094)

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星的主要有效載荷是望遠鏡,它由高能、中能和低能望遠鏡及主支撐結構組成,主支撐結構剛度、強度除滿足承載80多臺套產品外,重點是保障高能、中能和低能望遠鏡指向穩定一致[1]。

按照HXMT衛星總體規范要求,望遠鏡的質量不大于1 t,經反復輕量化設計,總質量為970 kg,由鋁合金主支撐結構承載高能、中能和低能望遠鏡的探測設備。按照科學目標要求,精度分解后[2],高能望遠鏡準直器的地面裝配指向精度應不大于2′,中能、低能探測器機箱布局在主支撐結構展開的懸臂位置,分別放置其內的中能準直器和低能準直器指向精度要求為5′和6′,分配到主支撐結構上,不僅要求面積為1900 mm×1655 mm的上板零件進行高精度加工,在主支撐結構部件裝配為一體后,仍然要求上板安裝面保持超高精度,這對加工能力是極大的挑戰。為此,必須優化設計方案,合理規劃工藝方案,力爭在傳統的加工能力基礎上實現目標精度。

本文闡述了主支撐結構的設計思路,對設計方案和工藝方法進行研究,將二者有機結合,進行一體化設計,實現了HXMT衛星望遠鏡科學目標要求。

1 主支撐結構設計

1.1 設計思路

根據科學目標要求和衛星規范要求,要保證高能、中能和低能望遠鏡指向一致,主支撐結構應具備強度好、剛度高、質量小、體積小和散熱好的性能。綜合上述要求,確定主支撐結構的設計要求,即使用加工工藝性能好的輕質金屬材料,進行輕量化設計,承力路徑上設計加強筋、支撐筒、支撐桿等結構[3],構成可靠穩固的結構框架形式,保障高能、中能和低能望遠鏡的安裝面進行高精度加工的工藝可實現性,進行工藝、測量方法的研究和試驗,最終獲得高精度的主支撐結構,設計思路如圖1所示。

圖1 主支撐結構設計思路Fig.1 Main supporting structure design idea

望遠鏡的設備組成見表1。要實現科學目標要求和衛星規范要求,主支撐結構需要在1900 mm×1655 mm的面積內布局80多臺套產品,并保證高能、中能和低能望遠鏡指向一致。為此,主支撐結構(見圖2)由上板、中板和下板3層結構組成,通過支撐筒、支撐桿等連接,構成保證望遠鏡設備精度的整體框架結構。首先,設計鋁合金上板,將精度最高的高能準直器布局在中心區域,按照科學目標要求及輕量化要求進行緊密布局,中能和低能機箱分別布局在－Z和＋Z區域,并通過8組可調節支撐桿支撐;然后,考慮到上板與衛星對接面之間需要高精度、高穩定的剛性連接,設計了每個高能準直器局部分別支撐的方式,在18個高能準直器位置上分別設置支撐筒,而中心設計直接支撐星敏感器的支撐筒;最后,設計了高強度的中板作為與衛星的對接結構,同時中板還承載高能主探測器探頭。望遠鏡的設備布局如圖3所示。

表1 望遠鏡設備組成Table 1 Telescope equipment composition

續 表

圖2 主支撐結構設計Fig.2 Main supporting structure design

圖3 望遠鏡設備布局Fig.3 Layout of telescope equipments

1.2 設計難點及解決措施

主支撐結構設計的關鍵點是在1900 mm×1655 mm的上板大平面上高精度實現并保持其穩定性,設計難點如下。

(1)由于要布局的指向一致的望遠鏡設備共有28套,高精度面的面積較大,精度要求高,對數控加工能力是極大的挑戰。

(2)由于發射段力學振動環境嚴酷,如果結構強度、剛度和精度穩定性差,主支撐結構將受到影響而引起高能、中能和低能望遠鏡的準直器和探測器的對準和指向精度變化,而結構的高強度、高剛度和精度穩定性與輕量化要求沖突,因此必須找到一個能夠平衡這些要求的設計方案。

針對以上設計難點,進行了如下對應設計。

(1)將1900 mm×1655 mm的上板面進行細節設計,僅使設備安裝“足印”面突出在同一平面,減小加工面的面積,并進行多次小進給量切削,以滿足0.05 mm平面度要求,如圖4所示;其他非設備安裝接觸面,均下凹1 mm,適當降低精度要求,作為熱控散熱面并噴涂白漆,在最大限度地減小高精度面加工難度的情況下又設計出了最大面積的散熱面。

圖4 上板高精度面的設計Fig.4 Design for high precision surface of upper plate

(2)為增加強度、剛度和精度穩定性,設計19個圓柱形支撐筒(如圖5所示)來連接上板和中板。工藝設計上,使每個支撐筒組件的端面平面度達到0.02 mm,1.3 m直徑的中板精度要求也相應較高,安裝支撐筒的平面與衛星對接面平行度達到0.06 mm。在集成為主支撐結構后,對上板的高精度面進行整體銑削加工,將加工工藝與裝配工藝結合,從而滿足精度要求。

在此設計方案下,進行多次優化和工藝試驗,主支撐結構安裝完成,對上板＋X面組合加工后,在高精度平臺上用千分表連續打表測量上板基準(＋X)面平面度值,測量結果滿足0.05 mm的平面度要求。另外,根據科學目標對指向一致性要求,中能探測器機箱和低能探測器機箱均需要與高能準直器指向一致,因此在高精度上板和高剛度中板之間設計了8組支撐桿(見圖6),用來支撐和調平上板。這樣滿足了設備緊密布局、高能準直器與主探測器探頭上下對準安裝的要求,可實現中能探測器機箱和低能探測器機箱的指向精度要求,滿足衛星總體對望遠鏡體積和輕量化的要求。

2 設計驗證

2.1 地面驗證

將高能、中能和低能望遠鏡按照安排的流程裝配到主支撐結構上,在地面力、熱環境試驗前后進行同等溫度下的測量,得到高能、中能和低能望遠鏡準直器指向偏差的空間角度值,表2為試驗后指向精度測試值。可見,主支撐結構在承載高能、中能和低能望遠鏡所有儀器設備的狀態下和完成環境考驗后均能保持較好的精度。

表2 主支撐結構承載望遠鏡儀器設備時的精度Table 2 Main supporting structure precision on loading equipments of telescope

2.2 在軌驗證

HXMT衛星在軌測試過程中,對5次以上Crab天區掃描的數據進行分析統計[4],校正系統誤差,對Crab真實位置和重建位置的差值結果進行比對[5-6],定位精度均滿足指標要求(如表3所示),驗證了望遠鏡在經歷發射段力學環境考驗和在軌熱循環環境考驗后,仍然保持了良好的設備性能和定位精度,從而證明主支撐結構設計滿足科學目標對指向精度的要求。

表3 望遠鏡在軌定位精度要求及測試值Table 3 Telescope in-orbit pointing precision requirements and measuring results

3 結束語

HXMT衛星望遠鏡主支撐結構承載設備多、精度要求高,在有限的體積和質量資源限定范圍內,還要滿足熱控和電纜布線的要求。本文對其主支撐結構進行設計,實現了在常規加工工藝能力范圍內高精度的安裝面。望遠鏡主支撐結構在地面環境試驗、發射段力學環境和在軌熱環境影響下,仍然能保證望遠鏡的精度要求,驗證了其設計的合理性。

參考文獻(References)

[1]張雙南．硬X射線調制望遠鏡——中國第一顆X射線天文衛星[J]．物理,2017,46(6):341-347 Zhang Shuangnan．HXMT－the first X-ray astronomy satellite[J]．Physics,2017,46(6):341-347(in Chinese)

[2]吳石林,張玘．誤差分析與數據處理[M]．北京:清華大學出版社,2010:97-115 Wu Shilin,Zhang Ji．Error analysis and data processing[M]．Beijing:Tsinghua University Press,2010:97-115(in Chinese)

[3]袁家軍．衛星結構分析與設計(上)[M]．北京:中國宇航出版社,2004:46-73 Yuan Jiajun．Satellite structure analysis and design(part 1)[M]．Beijing:China Astronautics Press,2004:46-73(in Chinese)

[4]Li Tipei,Wu Mei．A direct method for spectral and image restoration[C]//Proceedings of the Astronomical Data Analysis Software&Systems I．San Francisco:A．S．P．Conference Series,1992:229-231

[5]Li Tipei,Wu Mei．A direct restoration method for spectral and image analysis[J]．Astrophysics and Space Science,1993,206(1):91-102

[6]Li Tipei,Wu Mei．Reconstruction of objects by direct demodulation[J]．Astrophysics and Space Science,1994,215(2):213-227