星敏感器熱穩定性地面驗證技術

孟小迪，王曉燕，齊靜雅，武延鵬，王艷寶，王苗苗

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

星敏感器是高精度的姿態測量敏感器，在航天器的控制系統中起到至關重要的作用。航天器在軌運行期間，星敏感器因受到太陽輻射等復雜空間熱環境和真空深冷背景的影響而導致其光軸出現漂移（熱漂移或溫度漂移）。光軸熱漂移是星敏感器姿態測量低頻誤差的主要來源之一[1-3]。對于測繪衛星等對星敏感器精度要求較高的衛星平臺，空間熱環境導致的光軸熱漂移更為明顯。為減小空間熱環境對星敏感器姿態測量的影響，要求對星敏感器進行熱控設計，使星敏感器整體溫度穩定在一定范圍內[4]。對于熱設計有效性的評價，目前大多采取仿真分析驗證的手段，但更精確的光軸熱穩定水平的測量和評價則需要在真空熱環境試驗系統中測試得到[4]。隋杰等開發了熱-力-光聯合仿真分析模型，基于星敏感器光機模型建立有限元分析模型，設置溫度界面后仿真得到星敏感器的溫度場和應力場；通過分析結果，計算了光學系統的光軸變化情況，最后得出光軸的熱漂移量[4]。金荷等建立了熱穩定性試驗系統，將星敏感器放置于真空罐內，真空罐外采用靜態星模擬器模擬恒星，通過加熱安裝面和遮光罩模擬外熱流對星敏感器影響[5]。目前，星敏感器熱穩定的研究多集中在光機結構熱力學的仿真，仿真分析時條件較理想化，仿真結果往往優于實際熱穩定性結果；而試驗方案將靜態星模擬器放在真空罐外，真空罐窗口玻璃內外環境差異會帶來額外的誤差，且無法消除。

本文提出一種星敏感器熱穩定性試驗總體方案，包括試驗流程、試驗剖面及熱穩定性計算方法等；建立熱穩定性試驗系統，給出關鍵組件和指標；依據航天器真空熱環境試驗規范，制定星敏感器熱穩定性試驗判據與條件；提出熱穩定性試驗過程中試驗系統的誤差控制方法；最后給出某型星敏感器熱穩定性試驗結果。

1 熱穩定性試驗方案設計

1.1 熱穩定性定義

熱穩定性是衡量星敏感器光軸受溫度變化影響時的穩定能力的指標，以工作溫度范圍內每攝氏度變化引起的光軸漂移等結構；由于星敏感器的溫度場發生變化，其不同結構、不同組件的熱彈性變形不同使其光學系統與像面對準關系發生變化，導致其光軸漂移。熱穩定性試驗的目的是驗證星敏感器隔熱設計能否滿足星敏感器光軸熱穩定性指標[4,6-8]。

1.2 熱穩定性計算方法

在進行地面測試時，可通過星點坐標變化結果或者計算星敏感器姿態的變化得到光軸漂移量。

1）星點坐標方法（單星模擬器）

根據溫度穩定判據，待溫度穩定后采集星點坐標位置；根據星敏感器瞬時視場，計算得到光軸熱穩定性結果。星點坐標方法測試光軸熱穩定性簡單且易于實現。

2）姿態測量方法（多星模擬器）

對比以上兩種評價方法：星點坐標方法雖簡單且易于實現，但測試精度受單星點質心定位精度影響；姿態測量方法計算復雜，但由于使用了視場中不同位置的星點信息，所以減小了單星點的隨機誤差等對結果的影響，且評價方法更接近于在軌工況。本文星敏感器熱穩定性試驗采用姿態測量方法。

1.3 試驗流程設計

在星敏感器熱穩定性試驗準備階段，需要建立完整的外熱流模擬環境。將星敏感器與穩定平臺隔熱安裝，同時用隔熱多層包覆星敏感器，減小其與環境的熱量交換，以保證星敏感器除自身工作產生的熱量外，只受到模擬產生的外熱流的影響。試驗準備階段需要對試驗設備功能的有效性進行測試。

在星敏感器熱穩定性試驗過程階段，需要控制星敏感器結構溫度到不同溫度水平；待星敏感器溫度穩定后，計算星敏感器光軸與溫度的關系，得到星敏感器光軸熱穩定性指標。從試驗系統安裝調試階段布設的測溫點中選取控制點，將控溫點溫度作為星敏感器溫度是否穩定的判斷依據。

1.4 試驗剖面設計

設置試驗工況時，以星敏感器工作溫度為基準，使試驗溫度覆蓋工作范圍。以某型星敏感器為例，設計工作溫度為(20±3) ℃時，可設置溫度循環如圖1 所示。

圖1 星敏感器熱穩定性試驗溫度設置Fig.1 Temperature setting for thermal stability test of star sensor

2 熱穩定性試驗方案實施

2.1 試驗系統建立

熱穩定性試驗系統包括試驗室環境控制、穩定支撐平臺、高精度星場模擬、高精度空間角度測量、空間多物理場模擬等裝置或分系統（如圖2 所示），具有真空深冷環境模擬、在軌熱場模擬、雜光光場模擬、目標星場模擬、衛星平臺運動模擬、星點抖動補償等功能，可為星敏感器提供標定測試、低頻誤差測試、動態性能測試，以及為多物理場作用機理前沿技術研究提供研究平臺。該系統的主要功能和指標如表1 所示。

表1 星敏感器熱穩定性試驗系統的主要功能和指標Table 1 Main functions and indexes of thermal stability test system for star sensor

圖2 星敏感器熱穩定性試驗系統示意Fig.2 Schematic of the thermal stability test system for star sensor

進行熱穩定性試驗時，將星敏感器安裝在真空罐內地基穩定平臺上，使其光軸方向對準星點模擬分系統光軸方向。根據某太陽同步軌道衛星搭載星敏感器熱控數據分析，星敏感器安裝法蘭的溫度水平及穩定度是影響光軸熱穩定性的關鍵因素[9]，因此在進行光軸熱穩定性試驗時，利用試驗系統的浴油控溫分系統對星敏感器安裝法蘭進行界面控溫，測試光軸熱漂移與安裝法蘭溫度的關系。熱穩定性試驗狀態準備流程如圖3 所示。

圖3 星敏感器熱穩定性試驗狀態準備流程Fig.3 Preparation of thermal stability test for star sensor

2.2 試驗過程控制

2.2.1 熱穩定性試驗過程

光軸熱穩定性試驗中先控制星敏感器安裝法蘭界面溫度處于不同溫度水平；待溫度穩定后，采集數據，評估光軸熱穩定水平。試驗系統的星點模擬分系統可以模擬單星或多星工況；光軸熱穩定性試驗選擇單星模擬器，分別采集不同溫度下的星敏感器測量結果，將安裝法蘭界面溫度為20 ℃時的星敏感器測量結果作為基準，計算得到星敏感器測量結果隨溫度變化水平，即為光軸熱穩定性。熱穩定性試驗過程如圖4 所示。

圖4 星敏感器熱穩定性試驗過程Fig.4 Procedure of thermal stability test for star sensor

圖5 星敏感器結構熱應力釋放溫度曲線Fig.5 Temperature profile of structural thermal stress release for star sensor

2）平臺穩定性

穩定支撐平臺是在地基上固定安裝的光學平臺，通過穿艙結構嵌入真空罐內，提供真空環境下的安裝臺面。該平臺通過鈦合金墊塊與底板隔熱相連，與穿艙支架固定法蘭絕熱，使得平臺的熱量不能傳遞到穿艙支架以上，保證了系統的熱穩定性。

通過在穩定支撐平臺上粘貼加熱片的方式對其采取主動控溫措施（如圖6 所示），外部采用多層包覆，采用航天器常用的熱管理方式保證穩定支撐平臺在不同環境工況下的溫度場穩定。

圖6 穩定支撐平臺主動熱控措施Fig.6 Active thermal control measures for stable support platform

2.2.2 試驗過程誤差控制

由于星敏感器熱穩定性在角秒至亞角秒水平，所以試驗過程中的誤差隔離與抑制對于試驗效果至關重要。熱穩定性試驗持續時間長，因此星敏感器安裝支架以及試驗系統的平臺的溫度穩定性直接影響熱穩定性指標。安裝支架的熱穩定性主要取決于試驗過程中溫度變化導致的應力變化，可以通過溫度拉偏進行應力釋放；試驗系統平臺的溫度穩定性和振動穩定性可通過采取主動溫控和隔振措施來保證。

1）應力釋放

熱應力釋放試驗的目的是通過控制星敏感器結構溫度在一定范圍內循環來充分釋放結構熱應力，避免應力釋放不充分對光軸熱穩定結果產生影響。根據產品設計方案和結構特性，設定熱應力釋放階段的溫度循環（單循環）如圖5，共進行高低溫兩個循環。

為了保證支撐穩定性，設計了穩定支撐平臺的隔振方案。穩定支撐平臺的振動源主要來自實驗室地面振動和真空罐體平臺的振動。試驗中將穩定支撐平臺直接固定于隔振地基上來降低實驗室地面振動影響。對于真空罐體平臺振動，采用波紋管連接件將平臺與真空罐體相連，波紋管的阻尼作用可以降低傳遞到穩定支撐平臺上的振動的影響。為了減少各設備間的低頻擾動，將支撐平臺分割成中間支撐部分和平臺支撐部分，兩者之間做隔熱處理并采取獨立控溫方式，以在保證剛度的同時抑制設備間的內熱源干擾，提高組件的控溫精度。

經測試，平臺熱漂移≤0.2 (″)/(℃·h-1)，滿足星敏感器熱穩定性測試要求。

2.3 試驗判據與設計

真空熱環境試驗是航天器發射入軌前必須進行的試驗項目，國內外都制定了相應的試驗標準，其中：ECSS-E-ST-10-03C 和GSFC-D-7000 都對航天器熱平衡試驗的試驗條件和試驗穩定判據等進行了針對性介紹[10-11]，涵蓋產品研制全流程；我國借鑒國外環境試驗標準和技術成果，結合我國航天技術多年發展和積累的經驗，發布GB/T 34515—2017（《航天器熱平衡試驗方法》），可對航天器試驗要求制定和方案設計提供指導[12]。但目前仍缺乏星敏感器熱穩定性試驗的相關標準。本文結合航天器真空熱環境試驗規范，提出星敏感器熱穩定性試驗判據。

對于星敏感器而言，ECSS-E-ST-60-20C 規定星敏感器的熱彈性誤差需要通過熱分析模型得出，光軸熱漂移指標需要通過熱穩定性試驗得出。

根據GB/T 34515—2017 要求，應在真空環境壓力≤6.65×10-3Pa 時開始進行熱穩定性試驗；若連續4 h 的溫度變化不超過±0.5 ℃，或者溫度單調變化率＜0.1 ℃/h，即視為溫度穩定狀態。

3 熱穩定性試驗結果

3.1 試驗工況

根據前文所述試驗總體方案以及試驗判據等內容，設置試驗工況如表2 所示。

表2 星敏感器熱穩定性試驗工況Table 2 Conditions of the star sensor thermal stability test

3.2 試驗結果分析

光軸熱穩定階段，控制星敏感器安裝法蘭界面溫度穩定在17 ℃、20 ℃、23 ℃這3 個溫度水平（如圖7 所示），利用星點坐標方法評價光軸熱穩定性。

圖7 星敏感器安裝法蘭溫度曲線Fig.7 Temperature profile for the installed flange of star sensor

按照溫度穩定判據，每個階段連續4 h 內的溫度變化不超過±0.5 ℃時，獲得星點坐標信息，不同溫度階段星點位置變化如圖8 所示。

圖8 星敏感器熱穩定性試驗星點坐標變化曲線Fig.8 Point coordinate change curves in the star sensor thermal stability test

4 結束語

光軸熱漂移是星敏感器在軌測量誤差中低頻誤差主要來源之一。通過對星敏感器進行熱設計，可有效提升其熱穩定性。本文以某型星敏感器為例，為測量其光軸熱漂移，設計并開展了星敏感器熱穩定性試驗；針對主要誤差源，給出了試驗系統的環境和設備誤差的抑制措施；測試結果表明，誤差控制措施有效，星敏感器光軸熱穩定度為0.114 (″)/℃，滿足設計指標要求。該試驗方案可推廣至其他星敏感器光軸熱穩定性測試試驗。