数字化仿真技术在高分三号卫星总装工艺优化中的应用

郑鹏 孟少华 赵书萍 刘杰 张彬 徐奕柳 章磊

(1北京卫星环境工程研究所,北京 100094)(2北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

数字化仿真技术在高分三号卫星总装工艺优化中的应用

郑鹏1孟少华1赵书萍1刘杰2张彬1徐奕柳1章磊1

(1北京卫星环境工程研究所,北京 100094)(2北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

针对高分三号(GF-3)卫星合成孔径雷达(SAR)分系统复杂度高、舱内填充密度大、总装实施难度大等特点,文章采用数字化仿真技术,首先建立包含人员、工装、仪器等装配要素的仿真环境,以操作空间、装配过程可见等为评价指标,开展面向卫星质量管控的总装工艺方案可行性分析。从干涉性、可见性、舒适性等方面识别工艺方案中的潜在风险,并给出最优操作实施路径或风险预防护措施,进而对总装工艺方案进行优化。最后,以SAR天线平面近场展开测试和电子分系统总装为应用工况进行了验证。

高分三号卫星;数字化仿真;工艺优化

1 引言

数字化仿真技术是在数字化发展异常迅猛的前提下开展的[1]。它以虚拟现实和仿真技术为基础,对产品的设计过程统一建模,在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验等整个生命周期的模拟和仿真[2]。

近年来,数字化仿真技术在广泛应用于航空领域促进航空事业快速发展的同时,也逐渐应用于航天领域。在国外,美、俄、欧洲等国家和地区所属的航天部门和宇航公司非常重视卫星总体总装的仿真与演示验证,所建立的总体仿真与演示验证系统在卫星研制中发挥着重要作用。具有典型代表意义的如美国喷气推进实验室(JPL)的飞行系统测试平台(Flight System Testbed,FST),兰利研究中心的航天器模拟仿真系统(Spacecraft Simulation,SPASIM)、俄罗斯能源科学生产联合体(NPO Energiya)的综合仿真测试平台(KMC)。在国内,数字化装配仿真技术探索研究也逐渐开展,如浙江大学的自主开发的虚拟设计与装配原型系统(Virtual Reality Design and Assembly System,VIRDAS),北京理工大学开发的“虚拟装配系统”等[3-5]。目前,数字化仿真技术在航天领域中,针对不同航天器复杂工况的特征仿真及应用仍在不断发展。

高分三号(GF-3)卫星作为首颗8年低轨长寿命卫星,对卫星总装、测试与试验(AIT)质量控制提出了更高要求,合成孔径雷达(SAR)天线平面近场展开测试、±Y小舱狭小空间产品密集拆装等总装操作存在技术新、实施难度大、操作有盲区等特点。因此,本文面向上述典型关键装配过程,采用基于Pro/E＋SmartReader、DELMIA软件的数字化仿真技术,对典型工况可能存在的干涉情况进行仿真,并对部分工况的可视性、舒适性进行分析,提前识别风险,发现问题,以达到减少产品装配过程中的设计和工装更改,保证装配质量和提高装配效率的目的[6-8]。

2 GF-3卫星总装典型工况介绍

GF-3卫星搭载的有源相控阵SAR天线,在国内同类SAR天线中其尺寸最大、结构最复杂,具有展开包络大、成像模式精密的特点。不仅在地面和空间受外力和运动惯量的影响比较明显,对各种成像模式的地面验证要求也更加严格,依据整星构型要求,为SAR有效载荷提供伺服的SAR有效载荷电子分系统,分布于卫星对称分布的载荷舱±Y小舱,具有设备布局密集,操作空间狭小的特点(见图1)。

2．1 SAR天线专项地面验证(平面近场展开测试)

GF-3卫星在研制过程中,需要在平面近场通过气浮平台提供支撑条件,完成SAR天线的地面零重力展开试验及各种成像模式的测试,由于场地环境限制,气浮平台、吸波材料、扫描架和卫星在平面近场能否合理布局(见图2)成为制约卫星研制流程的关键因素之一。此外,能否通过模拟墙将SAR天线在平面近场展开,对整星研制流程的确定尤为重要。

2．2 SAR电子分系统总装(载荷舱±Y小舱设备安装)

GF-3卫星±Y小舱内布局设备均为SAR有效载荷电子分系统产品,共计16台(套)。其中－Y小舱布局有9台(套)设备,＋Y小舱内布局有7台(套)设备,具有设备布局密集,操作空间狭小,操作路径深等特点,设备布局见图3。

3 典型工况数字化仿真过程

针对GF-3卫星SAR天线平面近场专项测试及SAR电子分系统狭小空间,AIT操作存在技术新、工况复杂、实施难度大、风险点多的特点,采用基于Pro/E＋Smart Reader、DELMIA软件为手段的数字化仿真技术,对各工况进行预先仿真研究。

3．1 SAR天线平面近场展开

1)仿真流程

利用Pro/E软件将平面近场、SAR天线模拟墙、吸波材料、扫描架、两轴转台、卫星、气浮台等进行建模,然后采用Smart Reader软件读取模型数据进行仿真,并将仿真结果进行迭代分析,提前识别风险点并提出应对措施(见图4)。

2)工况仿真

(1)干涉分析。分别对SAR天线在模拟墙上展开以及SAR天线在整星状态下展开时,SAR天线包络与气浮台、模拟墙、气足等之间的位移关系进行过程仿真,发现当模拟墙或卫星停放状态不合理时产生的干涉情况,见图5。

(2)改进建议。对卫星进入平面近场的位置进行准确布局定位,由于SAR天线对称分布于星体±X侧,在此仅对－X侧SAR天线在气浮台展开过程进行仿真分析。SAR天线未展开时其端面与吸波材料间距范围控制在450 mm～460 mm,建议最优为457．5 mm,卫星本体轴心距离气浮台外端面尺寸为710 mm,从而确保SAR天线展开全程无干涉,调整后单侧尺寸标注如图6所示。

通过以上仿真分析,得出SAR天线在平面近场狭小空间内展开全过程与气浮台、吸波材料等边界干涉情况,给出了位置调整建议,按照仿真分析后的位置尺寸进行布局调整,实现了SAR天线在平面近场的顺利展开,确保研制工作顺利完成。

3．2 载荷舱±Y小舱设备安装

1)创建仿真环境

将GF-3卫星载荷舱±Y小舱模型、架梯模型、架车模型转换为DELMIA能识别的数据(CATProduct)格式,并加载仿真过程可能用到的优化方式(操作工具、导向杆、辅助支撑等),建立仿真环境,如图7所示。

2)干涉分析

假设载荷舱±Y小舱设备安装到位的情况下进行个别设备的临时拆装操作,通过仿真对其可能的干涉情况进行分析,结果如图8所示。

通过干涉分析可知:

(1)拆卸雷达接收机a时,人体与载荷控温仪干涉,需要先行拆除载荷控温仪,且与SAR天线配电器a电连接器最小距离为24 mm,不满足安全距离要求,建议先拆下其电连接器;

(2)拆卸内定标器过程中,拆下紧固件操作时螺丝刀与SAR天线配电器b间最小距离为15 mm,不满足电缆插接状态的安全距离,建议先拆除SAR天线配电器上电缆;

(3)拆卸波束控制器时,人体与载荷控温仪间最小距离为57 mm,不满足电缆插接状态的安全距离,建议先拆除载荷控温仪上电缆;

(4)拆装SAR天线配电器a时,紧固件操作时手部与波束控制器最小距离为35 mm,操作过程中存在与电缆有刮蹭的风险,建议拆装SAR天线配电器a前拔掉波束控制器的电缆;

(5)拆装微波组合时,由于空间狭小,人体与监控定时器间距离为40 mm,操作过程存在与电缆刮蹭的危险,建议拆装微波组合前先拔下监控定时器上的电缆;

(6)拆装驱动放大器a时,人体与调频信号源最小距离为56 mm,在操作过程中可能存在与电缆刮蹭风险,建议在拆装驱动放大器a前先将调频信号源上的电缆拔下。

3)可视性分析

对载荷舱±Y小舱设备拆装时的操作可视性进行仿真,选取可借用地面工装达到的最佳可视性进行分析,提前识别存在可视性较差或可能存在盲操作的工况,如图9所示。

通过可视性分析可知:

(1)SAR天线配电器a安装紧固件时,内侧固定位置被遮挡,操作时需借助反光镜;

(2)载荷控温仪安装紧固件时,内侧固定位置被遮挡,操作时需借助反光镜;

(3)基准频率源安装紧固件时,下侧固定位置被遮挡,操作时需借助反光镜;

(4)驱动放大器a安装紧固件时,左侧固定位置被遮挡,操作时需借助反光镜;

(5)调频信号源安装紧固件时,内侧固定位置被遮挡,操作时需借助反光镜;

(6)数据形成器安装紧固件时,内侧固定位置被遮挡,操作时需借助反光镜。

4)舒适性分析

在DELMIA软件中,操作人员的肢体颜色代表操作的舒适性,其中绿色表示舒适、黄色表示较好、橙色表示良好、红色表示不适。

对载荷舱±Y小舱设备拆装时的人体操作舒适性进行分析,并对通过软件仿真分析超出人体舒适性边界的工况进行了借助辅助工装改善后工况的仿真分析,结果见图10。

通过舒适性分析可知:

(1)不用辅助工装安装波束控制器时,该状态所能负载的最大质量为5．6 kg,对比波束控制器自重为7．4 kg,建议该操作借用辅助工装导向杆,无需拆卸载荷控温仪电缆且操作舒适性评分较优;

(2)不用辅助工装安装内定标器时,该状态所能负载的质量为5．9 kg,对比内定标器自重为8 kg,建议该操作借用辅助工装导向杆,无需拆卸载荷控温仪电缆且操作舒适性评分较优;

(3)不用辅助工装安装驱动放大器b时,该状态所能负载的质量为4．8 kg,对比驱动放大器b自重为5 kg,建议该操作借用辅助工装导向杆,此时操作舒适性评分较优;

(4)除上述3台设备外的其他设备拆装时,通过操作舒适性分析,均可在不借用工装的情况下完成。

通过以上仿真,对载荷舱±Y小舱拆装时干涉情况、可视性、舒适性进行分析,给出了操作过程可能存在的干涉情况、不可视盲操作工况及对人员操作舒适性上不可达的情况,并给出了改善与解决方案,为设备顺利拆装提出了可行性方案。

4 结束语

本文从实际需求出发,采用基于Pro/E＋Smart Reader、DELMIA软件为手段的数字化仿真技术,对GF-3卫星SAR天线测试工装布置、分系统设备安装等工况进行了三维仿真,从干涉性、可视性、舒适性等方面对总装操作进行了分析,并给出了可行的解决建议。应用结果证明,数字化仿真技术可在航天器研制初期对工艺装备、工艺规程等进行协同设计,及时发现并纠正设计缺陷,缩短周期并降低研制费用,尤其在航天器总装工作正从研制模式向批量生产模式转换的现阶段,具有借鉴意义。

References)

[1]高苗,边月奎．基于数字化仿真技术的模块化装配单元应用[J]．现代制造技术与装备,2014(9):122-124 Gao Miao,Bian Yuekui．Based on modular assembly unit application of digital simulation technology[J]．Modern Manufacturing Technology and Equipment,2014(9):122-124(in Chinese)

[2]熊涛,孙刚,刘孟周,等．数字化技术在卫星总装中的应用[J]．航天器环境工程,2008,25(1):80-83 Xiong Tao,Sun Gang,Liu Mengzhou,et al．The application of digitization technology in satellite general assembly[J]．Spacecraft Environment Engineering,2008,25(1):80-83(in Chinese)

[3]黄垒,刘孟周,邢帅,等．虚拟仿真技术在载人航天器总装工艺设计中的应用[J]．航天器环境工程,2011,28(6):609-614 Huang Lei,Liu Mengzhou,Xin Shuai,et al．Application of virtual simulation technology in assembly process design of manned spacecraft[J]．Spacecraft Environment Engineering,2011,28(6):609-614(in Chinese)

[4]路毅,万毕乐,王再成,等．数字化仿真技术在大型卫星装配工艺优化中的应用[C]//中国航天科技集团公司2015数字化制造研讨会．北京:中国航天科技集团公司,2015:49-55 Lu Yi,Wan Bile,Wang Zaicheng,et al Applications of digital simulation technology in satellite assembly optimization[C]//The Proceedings of 2015 Digital Manufacturing Seminar CASC．Beijing:China Aerospace Science and Technology Corporation,2015:49-55(in Chinese)

[5]乔志峰,赵庆斌,李刚,等．基于MBD的数字化仿真技术在航天制造企业应用研究[J]．航天制造技术,2014,5:6-10 Qiao Zhifeng,Zhao Qingbin,Li Gang,et al．The application of digitization technology in satellite general assembly[J]．Aerospace Manufacturing Technology,2014,5:6-10(in Chinese)

[6]孙刚,易旺民,代卫兵,等．航天器总装工艺流程优化的分析与思考[J]．航天器环境工程,2008,25(4):381-383 Sun Gang,Yi Wangmin,Dai Weibing,et al．Analysis and reflection in the process optimization of spacecraft assembly[J]．Spacecraft Environment Engineering,2008,25(4):381-383(in Chinese)

[7]冯伟,张延磊,易旺民,等．基于虚拟仿真技术的探月工程二期航天器总装工艺设计[J]．航天器环境工程,2014,31(3):326-331 Feng Wei,Zhang Yanlei,Yi Wangmin,et al．The virtual simulation technology in assembly process design of China’s lunar exploration project II[J]．Spacecraft Environment Engineering,2014,31(3):326-331(in Chinese)

[8]杨明,尹明德．基于DELMIA的虚拟装配中人机工程仿真与应用[J]．农业开发研究,2009(7):12-14 Yang Ming,Yin Mingde．Ergonomics simulation and application in virtual assembly based on DELMIA[J]．Research in Agriculture Developement,2009(7):12-14(in Chinese)

Applications of Digital Simulation Technology in GF-3 Satellite Assembly Optimization

ZHENG Peng1MENG Shaohua1ZHAO Shuping1LIU Jie2ZHANG Bin1XU Yiliu1ZHANG Lei1
(1 Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering,Beijing 100094,China)
(2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The SAR subsystem of GF-3 satellite with intensive of equipment is extremely complex,which is very difficult to be assembled and integrated．In this paper,digital simulation technology is applied to the key link of GF-3 satellite assembly process．Firstly,simulation model is developed including all assembly elements,such as operator,process equipment,etc．Then the feasibility analysis of the total assembly process scheme oriented to satellite quality control is carried out with the evaluation indices of the operation space and assembly view field．Based on the potential risk indentifaction from the key components of protection,redundancy control,visible assembly process,etc．,the assembly process plan is optimized to reduce the probability of occurrence of accident due to poor quality．Finally,the proposed technology is validated in SAR deployment test and assembly of electronic equipment．

GF-3 satellite;digital simulation;assembly optimization

2017-10-26;

2017-11-20

国家重大科技专项工程

郑鹏,男,工程师,从事航天器总装工艺设计与总装计划管理工作。Email:274511891＠qq．com。

V485

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.024

(编辑:李多)