数字化技术在高分三号卫星总装设计中的应用

蔡亚宁 肖鹏飞 何德华 张欢

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

数字化技术在高分三号卫星总装设计中的应用

蔡亚宁 肖鹏飞 何德华 张欢

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

针对高分三号(GF-3)卫星大型相控阵天线精准总装技术、大型相控阵天线质量特性精确计算技术、星罩对接后星表插头操作空间的人机工程模拟技术和天线随整星一体化运输设计技术4项设计问题,通过数字化技术,分别应用数学建模、Pro/E质量特性计算、CATIA人机工程模拟和有限元分析等方法,对上述设计问题进行了分析,体现了数字化技术在卫星总装设计与实施过程中的应用,结果表明:试验数据满足且优于指标要求,实践效果良好。对于大型有效载荷卫星的总装设计技术具有一定的借鉴意义。

高分三号卫星;总装设计;数字化技术

1 引言

近年来随着航天器有效载荷技术的飞速发展,大型相控阵天线(单翼长度大于5 m,双翼长度大于10 m的平面相控阵天线或直径大于10 m的抛物面天线)由于其高分辨率、多极化、多种工作模式等特性,在微波遥感领域得到了越来越多的应用[1-2],但是,高品质的卫星图像也对卫星的总装技术提出了更高的要求。高分三号(GF-3)卫星是我国对地观测系统的重要组成部分,其主载荷合成孔径雷达(SAR)天线具有质量大(大于1000 kg)、尺寸大(大于10 m)、精度要求高(展开综合平面度小于整体长度的1/3000)等特点,给整星的总装技术实现带来了诸多困难,如大型相控阵天线装星精度要求高、天线质量特性计算精度要求高、舱内及星表部分设备操作困难、整星带天线运输状态新等均无借鉴经验。

航天器数字化设计是指运用数字化的手段和方法[3-5],以数字化模型为主要设计成果和信息载体,快速建立数字化模型,准确传递设计信息,以满足用户使用和工程制造需求的研制模式。目前,国内外相关的设计机构及高校都在数字化设计方面积极开展研究并取得了重要成果。如美国NASA充分利用数字化设计方法改进设计流程,使设计效率提高了5～10倍。我国中航工业某单位全面采用数字化设计,以全三维标注替代二维图纸,使整体研制周期缩短近40%。

本文结合GF-3卫星大型相控阵天线的特殊性,针对卫星总装技术中的设计问题,介绍了利用数字化技术开展分析工作的实现过程,并介绍了工程实施和测量验证效果,为数字化技术在卫星总装设计中的应用开拓了新的思路。

2 大型相控阵天线精准总装技术

目前,在卫星总装过程中,有安装精度要求的星载设备,其装调过程一般采用传统的人工试凑模式[6-7],经过反复调测直至设备安装精度满足要求。此类方法设备安装效率低,对于有展开综合平面度和综合指向精度要求的大型平面相控阵天线,每一次反复的试凑,都会带来较大的工作量,且仅采用人工经验试凑,未必能达到要求的精准安装精度。而目前针对复杂安装面的大型相控阵天线的装星方法,在国内尚无可借鉴的经验。为提高大型天线的安装精度及安装效率,现采用数字化建模技术对天线精准总装技术流程进行优化,使天线一次装调到位。本节主要在大型有效载荷安装一般流程的基础上,根据大型平面相控阵天线自身及与星体安装接口的特点,增加精测数据的数字化建模及计算分析环节,将调整垫片的添加从安装后提到安装前,提高了天线的装星效率,优化了装星流程。具体实现过程如下。

1)精准总装技术的实现过程

按照以往安装大型载荷的经验,大型相控阵天线的装星及精测一般流程如图1所示。

本文采用数字化建模对天线精准总装技术流程进行了优化,较一般流程不同的是,通过提前将安装接口数据进行数学建模,并计算出调整方案,使天线装星一次到位,显著提高了天线的装星效率及装星精度。主要步骤包括:单翼天线装星前精测－计算调整垫片添加方案－装星后再精测－调整垫片添加方案修正－双侧翼天线整体精测－调整垫片添加方案修正－结束双侧翼天线装星。总装技术流程如图2所示。

2)工程实施及测量验证

GF-3卫星SAR天线装星工作中,采用数字化建模进行天线精准总装设计,根据SAR天线装星精测结果,双侧翼大型平面相控阵天线一次装调到位,使装星效率提高了50%;且其展开综合平面度达到整体长度的1/6024,优于1/3000的指标要求;综合指向精度达到0．01°,优于0．015°的指标要求。

3 大型相控阵天线质量特性精确计算技术

GF-3卫星SAR天线占整星比重超过40%,其质量特性的精确与否,直接影响整星在轨质量特性估算的准确性[8-9]。SAR天线由展开机构、面板、框架、电缆和热控组件等诸多部组件组合装配而成,给质量特性模拟计算带来难度,为精确获得SAR天线收拢及展开状态质量特性,可利用数字化软件Pro/E中的质量特性计算功能,根据整星质量特性的实测值进行SAR天线各种状态的质量特性精确计算。

3．1 质量特性精确计算技术实现过程

为使质量特性计算数据更加真实准确,本文提出“整星带载与不带载质量特性对比测试法”,即进行“整星带载”和“整星不带载”两次质量特性测试试验,对比试验数据,并且以实验数据修正计算模型,进而精确计算SAR天线各状态整体质量特性。具体步骤如下。

(1)天线各部组件分别提供各自质量特性,展开机构需提供收拢和展开两种状态质量特性;

(2)机械总体利用Pro/E软件,初步估算SAR天线各种状态质量特性;

(3)整星不带SAR天线(星本体)进行质量特性测试,记录为第一次质量特性测试结果;

(4)SAR天线安装后,整星带SAR天线进行质量特性测试,记录为第二次质量特性测试结果;

(5)在Pro/E软件中,将星本体质量特性测试值(第一次质量特性测试结果)赋予星本体模型,调整收拢状态SAR天线模型质量特性参数,使星本体＋SAR天线整体质量特性参数计算值与第二次质量特性测试结果一致;

(6)记录调整后的收拢状态SAR天线模型质量特性参数;

(7)在Pro/E软件中,调整电缆及热控组件等质量特性参数,使SAR天线模型质量特性参数与第(6)步调整后的结果一致;

(8)记录调整后的电缆及热控组件等质量特性参数;

(9)在Pro/E软件中,将调整后的质量特性参数分别赋予SAR天线展开状态的各个部组件(未调整的保留原数据),进行综合质量特性计算,即得出修正后的SAR天线展开状态质量特性;

(10)利用结构星的估算结果也可精确计算正样星的整星质量特性,并提前计算配重添加方案,精确计算步骤与上述步骤类似。

3．2 工程实施及测量验证

GF-3卫星质量特性计算工作中,根据初样结构星的两次质量特性测试结果,精确计算出SAR天线精确的质量特性参数,并根据精确计算结果,提前计算出正样星质量特性参数及配重添加方案。根据正样星的估算与测试结果的比对,质量特性准确率达到了99．6%。

4 星罩对接后星表插头操作空间的人机工程模拟技术

星罩对接后,需要在基地厂房和发射塔架对两个星表操作口的星表插头进行插拔操作,GF-3卫星SAR天线占据了星表的大部分空间,星表插头位置正好位于SAR天线两侧,为优化星罩对接试验,确保星表插头插拔操作的顺利进行,可利用数字化分析软件CATIA进行操作空间人机工程模拟。

4．1 星罩对接后星表插头操作空间的人机工程模拟技术实现过程

1)建立分析模型

可行性分析采用CATIA软件的人机工程分析模块。各分析模型如下。

(1)整流罩及卫星模型:建立整流罩的三维模型,并在模型上绘制星箭操作口,如图3(a)所示。卫星三维模型通过整星Pro/E模型转格式为stp模型,然后通过CATIA软件直接打开。如图3(b)所示。

(2)人体模型:人体模型采用CATIA软件数据库中参数选项为75%的中国女性[10-11]。

2)星表插头操作空间的人机工程模拟

由图4可见,操作者身体探进整流罩后可进行操作,且操作者眼睛可以对操作的插头进行观察。

4．2 工程实施及测量验证

采用数字化技术进行星罩对接后,星表插头操作空间的人机工程模拟,基本真实地模拟了操作人员在星罩对接后的操作状态,不仅提前验证了整流罩开孔的合理性,而且优化了星罩对接试验流程,减少了星表插头操作困难所带来的风险。

5 天线随整星一体化运输设计技术

SAR天线的重复拆装会影响天线的装调精度,为减少SAR天线装调次数,固化天线装星精度,优化总装流程,GF-3卫星采用SAR天线随整星一体化运输形式,并且利用数字化仿真软件Patran进行一体化运输状态的有限元分析,进而验证一体化运输设计的可行性。

5．1 天线随整星一体化运输设计技术实现过程

GF-3卫星SAR天线每侧设置有6个压紧座,每个压紧座都与舱内加强梁连接,使作用于压紧座上的支反力传递至星体主结构,如图5所示。

由于卫星水平运输状态时纵向长度大,需在星体横轴(X轴)方向上提供辅助支撑点,GF-3卫星将运输辅助支撑点设置在SAR天线压紧座上,并使用压紧座已有孔位与包装箱转接支架连接。一方面压紧座位于传力路径上,强度可以得到保证;另一方面,整星避免了设计新的辅助支撑点位置,节省了星表空间。SAR天线随整星运输的状态如图6所示。

建立整星有限元模型并施加运输状态约束如图7所示,得出整星结构特别是SAR天线压紧座部位均满足运输状态的强度要求。

5．2 工程实施及测量验证

GF-3卫星采用了天线随整星一体化运输设计技术,整星运输至发射场后,对展开状态的SAR天线精度进行复测,平面度变化率为4．4%,指向精度变化率为0．09%,且复测结果均满足总体指标要求,确保了天线装星精度的稳定。

6 结束语

本文将数字化技术应用于卫星总装设计与实施过程中,一方面,有效指导和解决了大型有效载荷的总装设计阶段的技术问题,提高了大型有效载荷的总装效率;另一方面,使得大型有效载荷的总装精度更加有保证,从而有效保障了大型有效载荷在轨的成像或工作状态。尽管仍需要不断改进,但是在探索及优化的过程中也取得了创新性的成果和经验,为数字化在卫星总装设计与实现中的应用开拓了新的思路,主要包括:

(1)提出利用数字化建模优化天线精准总装的技术流程,并应用于GF-3卫星SAR天线装星工作中,双侧翼大型平面相控阵天线一次装调到位,将装星效率提高了50%,且其展开综合平面度达到整体长度的1/6024,综合指向精度达到0．01°,全部优于指标要求,为大型天线精准装星积累了实践经验。

(2)提出“整星带载与不带载质量特性对比测试法”,采用数字化技术进行大型相控阵天线质量特性精确计算,使正样星质量特性预估准确率达到了99.6%,对于有展开特性的大型部组件质量特性精确计算有借鉴意义。

(3)采用数字化技术进行星罩对接后星表插头操作空间的人机工程模拟,基本真实地模拟了操作人员在星罩对接后的操作状态,优化了星罩对接试验流程,减少了星表插头操作风险。

(4)采用天线随整星一体化运输设计技术,整星运输至发射场后,对展开状态的SAR天线精度进行复测,平面度变化率为4．4%,指向精度变化率为0.09%,且复测结果均满足总体指标要求,确保了天线装星精度的稳定,减少了天线装星次数,优化了总装流程,也为大型天线随整星一体化运输技术提供了借鉴经验。

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Applications of Digital Technologies to Assembly Design for GF-3 Satellite

CAI Yaning XIAO Pengfei HE Dehua ZHANG Huan
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Four design problems of assembly technologies for GF-3 satellite is presented in this paper,which included technologies such as large phased array antenna accurate assembling,accurate mass property calculation of large phased array antenna,human-robot simulation of satellite surface plug operation after satellite-fairing docking,integration transport design for antenna and satellite．By digital technologies,methods of mathematical model,Pro/E mass property calculation,CATIA human-robot simulation and finite element analysis are separately applied to the design problems above,which embodied the application of digital technologies on satellite assembly design and implementation．The result shows that test data meet and superior to the requirements,and good practical effects were acquired,which provided certain reference for assembly design heavy payload．

GF-3 satellite;assembly design;digital technology

TP391

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.022

2017-10-10;

2017-11-18

国家重大科技专项工程

蔡亚宁,女,硕士,工程师,从事卫星机械总体设计工作。Email:caiyaning1218＠126．com。

(编辑:李多)