CN104443435A - 用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，星敏感器安装横梁组件、连接螺杆组件和连接分离组件，星敏感器安装横梁组件在两端通过连接螺杆组件与星体框架相连，以释放连接处绕螺杆轴线转动的自由度，这种半刚性连接方式使在空间极端温度环境下在星体框架发生热变形时，星敏感安装横梁形状保持不变，从而保证其上安装的星敏感器指向不发生变化。连接分离组件的作用是降低星敏感器在卫星发射段力学环境激励下的动力学响应；卫星入轨后对增加的连接点进行释放。本发明可用于对在轨指向精度稳定性要求较高的星敏感器的安装，对星敏感器安装横梁的在轨热变形进行隔离与控制，保证其使用要求。

Description

用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构

技术领域

本发明涉及卫星高精度载荷安装结构设计领域的新方法，具体为对星敏感器在轨热变形进行隔离与控制的安装方案，尤其是用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构。

背景技术

随着对地观测卫星的不断发展，对卫星的姿态控制精度和稳定性提出了更高的要求，然而提高姿态控制精度的前提是提高卫星姿态测量的精度。星敏感器是一种卫星三轴姿态测量装置，具有高精度和绝对测量的优势，在航天器的姿态测量中有广泛应用。

在卫星在轨运行过程中，对星敏感器的任何微小扰动都会影响到卫星姿态控制。在空间极端环境条件下，除了受到姿轨控所用飞轮转动等引起的动力扰动之外，还受到由于热载荷引起的热变形影响。卫星在轨运行时，在温度载荷作用下，星敏感器安装平台除了自身会发生热变形外，与邻近连接结构之间由于温度差引起的热应力、相邻结构的热变形通过连接施加的力等也会引起星敏感器的指向发生变化，导致卫星姿态控制误差较大，从而影响卫星的在轨性能。随着高分辨率卫星的发展，对空间极端温度载荷条件下星敏感器指向控制越来越重视，但目前还没有很好的解决方案，无法满足未来高分辨率卫星发展的需求。

目前星敏感器的安装方案造成的问题为星敏感器直接安装到星体本体框架相连，当卫星框架本体在空间极端温度载荷的作用下发生变形时，星敏感器的指向会随之发生较大的变化，无法满足高精度卫星姿态控制的需要。

发明内容

本发明针对现有星敏感器安装方案的不足，提出了一种对卫星在轨极端温度载荷作用下的星敏感器指向变化进行隔离与控制的新方案。在该方案中，星敏感器安装在自身变形较小的星敏感器安装横梁组件上，该组件通过柔性连接或释放连接自由度的方式与卫星本体框架相连。这种连接方式允许星敏感器安装横梁组件和卫星本体框架之间在一定方向上有一定程度的相对位移和转动，避免卫星本体框架的变形以力的方式传递给星敏感器，从而实现热变形隔离，对星敏感器的指向变化进行控制。

根据本发明提供的一种用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，包括：卫星本体框架结构1、星敏感器安装横梁组件2、连接螺杆组件3、连接分离组件4；

星敏感器安装横梁组件2通过两个连接螺杆组件3连接卫星本体框架结构1；

所述两个连接螺杆组件3分别设置于星敏感器安装横梁组件2的两端，起到释放星敏感器安装横梁组件2的端部绕连接螺杆组件3的轴线转动自由度的作用；

星敏感器安装横梁组件2包括星敏感器安装接口；

星敏感器安装横梁组件2还通过连接分离组件4连接卫星本体框架结构1。

优选地，所述连接螺杆组件3包括：连接螺杆31、套筒32、垫片33；

连接螺杆31的螺纹部分与卫星本体框架结构1的螺纹孔之间螺纹连接，套筒32的外侧端面与连接螺杆31的螺帽部分相配合，使得连接螺杆31将套筒32压紧于卫星本体框架结构1；

套筒32包括筒身部以及连接在筒身部外侧的端部，筒身部的外径小于外侧端部的外径并且小于垫片33的外径，垫片33设置在筒身部的内侧端面与卫星本体框架结构1之间；

套筒32的筒身部穿过星敏感器安装横梁组件2两端的连接孔21，并且套于连接螺杆31的螺纹部分之外，连接孔21的孔径等于或者略大于筒身部的外径。

连接螺杆组件用于提供星敏感器安装横梁组件和星体框架之间的半刚性连接或柔性连接，其释放了连接处绕螺杆轴线转动的自由度，保证在空间极端温度环境条件下星体框架发生热变形时，星敏感安装横梁的形状保持不变，从而使其上安装的星敏感器指向不发生变化。

优选地，还包括安装于星敏感器安装接口的星敏感器5。

星敏感器安装横梁组件提供星敏感器安装界面，通过安装接口与星敏感器相连，主用作用在于其通过“零膨胀”设计方法使得能够在较大的温度梯度下仍提供稳定安装接口。

优选地，所述连接分离组件4包括依次连接的第一安装支架42、连接分离机构41、第二安装支架43；

第一安装支架42与卫星本体框架结构1相连，第二安装支架43与星敏感器安装横梁组件2相连；

连接分离机构41包括两个熔断式切割器，每个熔断式切割器有一把热刀，所述热刀用于切断连接分离机构41中的压紧锁，使第一安装支架42与第二安装支架43分离，从而使星敏感器安装横梁组件2与卫星本体框架结构1分离。

连接分离组件的主要作用是，在采用半刚性连接或柔性连接对星敏感器安装横梁与卫星本体框架连接时，在卫星的发射段力学环境条件下，可能会引起星敏感器的动力学响应较大。增加连接分离组件，使星敏感器安装横梁与卫星本体框架在卫星发射阶段通过连接机构相连，增加二者之间的连接刚度，降低星敏感器的动力学响应；在卫星入轨以后，通过分离机构解除所增加的连接关系。

优选地，连接孔21、套筒32、垫片33之间相接触的面上镀有润滑膜。

优选地，星敏感器安装横梁组件2由碳纤维增强复合材料制作而成。

优选地，星敏感器安装横梁组件2为一整体结构。

优选地，星敏感器安装横梁组件2的连接孔21的孔口附近贴有与连接螺杆组件3相配合的垫圈，垫圈由钛合金材料制成，并镀有润滑膜。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、当卫星本体框架结构在空间极端温度载荷的作用下发生变形时，由于采用了柔性连接或半刚性连接，星敏感器的指向并不随着卫星本体结构的变形而变化；

2、在采用柔性连接或半刚性连接时，保证在卫星发射段星敏感器有较好的动力学特性，在发射段力学载荷作用下其动力学响应较小；

3、星敏感器安装横梁组件作为一个整体进行安装，在卫星本体框架预留相关接口，通过简单的连接实现多个星敏感器的安装，能保证多个星敏感器之间的相对精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1、图2、图3是本发明所提供安装结构的不同角度的示意图；

图4是星敏感器安装横梁组件结构示意图；

图5是连接螺杆组件结构示意图；

图6是连接分离组件结构示意图。

图中：

1--卫星本体框架结构；

2--星敏感器安装横梁组件；

21--连接孔；

22--安装面；

3--连接螺杆组件；

31--连接螺杆；

32--套筒；

33--垫片；

4--连接分离组件；

41--连接分离机构；

42--第一安装支架；

43--第二安装支架；

5--星敏感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例包括：卫星本体框架结构1、星敏感器安装横梁组件2、连接螺杆组件3、连接分离组件4和星敏感器5。其中，卫星本体框架结构1提供星敏感器安装组件所需的螺纹孔。星敏感器安装横梁组件2通过连接螺杆组件3在其两端与卫星本体框架结构1相连。星敏感器安装横梁组件2选择具有较低的热膨胀系数的碳纤维增强复合材料制成，在温度载荷的作用下自身的热变形较小。星敏感器安装横梁2提供星敏感器5的安装接口。用于连接星敏感器安装横梁组件2和卫星本体框架结构1的连接螺杆组件3除了起到固定作用以外，还有释放星敏感器安装横梁组件2的一端绕连接螺杆组件3的轴线转动自由度的作用。为保证星敏感器5在卫星的发射主动段具有良好的力学环境条件，除在星敏感器安装横梁组件2两端的连接点外，增加两处连接分离组件4，使星敏感器安装横梁组件2在卫星发射阶段通过与卫星本体框架结构1较强的连接，降低星敏感器5的动力学响应；而在卫星入轨后，通过分离机构使星敏感器安装横梁组件2和卫星本体框架结构1分离，使卫星本体框架结构本身的热变形不至于影响星敏感器安装横梁组件2，从而降低星敏感器5的指向变形。

如图4所示，所述的星敏感器安装横梁组件2在两端提供连接孔21并通过连接螺杆组件3与卫星本体框架结构1相连，并提供3个星敏感器的安装面22。星敏感器安装横梁组件2是带有“十”字芯的方梁和星敏感器安装支架一体化的组合体，保证横梁和支架的材料连续性，减小空间极端温度环境下星敏感器的指向变化。星敏感器安装横梁组件2选用的材料为高比刚度、高比强度，且热膨胀系数低的碳纤维增强复合材料，其本身具有低热膨胀特性，并进行“零膨胀”铺层设计，长度为1200mm。横梁截面形状为“田”字形，其截面外形尺寸为85mm×50mm。“十”字加强筋的作用为提高结构的弯曲刚度以及动力学特性。星敏感器安装横梁组件2的连接孔21附近外侧贴有与连接螺杆组件3相配合的垫圈，由钛合金材料制成，并镀润滑膜，以使连接面处的摩擦力较小。

如图5所示，所述的连接螺杆组件3包括连接螺杆31、套筒32、垫片33，均采用钛合金材料制成。连接螺杆31螺纹部分采用M12螺纹，圆杆部分(即螺帽部分)直径12mm。套筒32和垫片33表面均镀润滑膜。连接螺杆31的一端与卫星本体框架结构1的螺纹孔相配合，对星敏感器安装横梁组件2进行固定。套筒32穿过星敏感器安装横梁组件2两端的连接孔21，套筒32的一端的端面与垫片33配合，另一端与连接螺杆31相配合。套筒32直径较小的部分长度与星敏感器安装横梁组件2连接孔处的尺寸相同，这样套筒32通过螺杆压紧以后，星敏感器安装横梁组件2位于套筒32与垫片33所组成的槽里，在星敏感器安装横梁组件2上的连接面受到的正压力很小，并且各个连接面都镀有润滑膜，这样连接螺杆组件3的转动自由度就被释放掉。当卫星本体框架结构1发生弯曲变形时，星敏感器安装横梁组件2并不会随着卫星本体框架结构1的弯曲而弯曲。再者，由于星敏感器安装横梁组件2的刚度较大，而连接点处存在间隙，因此卫星本体框架结构1各方向的变形对星敏感器安装横梁组件2特别是星敏感器安装面22处的影响就会大大减小。

如图6所示，所述的连接分离组件4包括连接分离机构41、第一安装支架42和第二安装支架43等3部分。由于星敏感器安装横梁组件2两端采用了释放了转动自由度的连接螺杆组件3，在卫星发射的过程中，通过两点相连可能会引起星敏感器5的加速度响应较大。因此在星敏感器安装横梁组件2上增加连接分离组件4，增加两个连接点，主要承受发射主动段的载荷，入轨后分离。其中，第一安装支架41和第二安装支架42采用碳纤维增强复合材料模压成型，第一安装支架42与卫星本体框架结构1相连，第二安装支架43与星敏感器安装横梁组件2相连。连接分离机构41由两把熔断式切割器组成，每个熔断式切割器有一把热刀。热刀的作用是卫星入轨后切断连接分离机构41中的压紧锁，使星敏感器安装横梁组件与卫星本体框架结构分离。

本实施例采用星敏感器安装横梁组件的方式对星敏感器指向的变形进行控制，所选用的用于释放连接自由度的连接螺杆组件能有效对星体框架引起的热变形进行隔离。本实施例在卫星本体框架结构1发生800角秒(星敏感器安装横梁组件绕两端连接螺杆组件轴线转动的角度)弯曲变形时，星敏感器安装横梁组件2弯曲变形小于20角秒，能有效降低星敏感器的热变形。这种柔性连接和半刚性连接的方式可对卫星上高精度单机的在轨变形进行有效的隔离与控制，可广泛用于此类单机的安装。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，其特征在于，包括：卫星本体框架结构(1)、星敏感器安装横梁组件(2)、连接螺杆组件(3)、连接分离组件(4)；

星敏感器安装横梁组件(2)通过两个连接螺杆组件(3)连接卫星本体框架结构(1)；

所述两个连接螺杆组件(3)分别设置于星敏感器安装横梁组件(2)的两端，起到释放星敏感器安装横梁组件(2)的端部绕连接螺杆组件(3)的轴线转动自由度的作用；

星敏感器安装横梁组件(2)包括星敏感器安装接口；

星敏感器安装横梁组件(2)还通过连接分离组件(4)连接卫星本体框架结构(1)。

2.根据权利要求1所述的用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，其特征在于，所述连接螺杆组件(3)包括：连接螺杆(31)、套筒(32)、垫片(33)；

连接螺杆(31)的螺纹部分与卫星本体框架结构(1)的螺纹孔之间螺纹连接，套筒(32)的外侧端面与连接螺杆(31)的螺帽部分相配合，使得连接螺杆(31)将套筒(32)压紧于卫星本体框架结构(1)；

套筒(32)包括筒身部以及连接在筒身部外侧的端部，筒身部的外径小于外侧端部的外径并且小于垫片(33)的外径，垫片(33)设置在筒身部的内侧端面与卫星本体框架结构(1)之间；

套筒(32)的筒身部穿过星敏感器安装横梁组件(2)两端的连接孔(21)，并且套于连接螺杆(31)的螺纹部分之外，连接孔(21)的孔径等于或者略大于筒身部的外径。

3.根据权利要求1所述的用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，其特征在于，还包括安装于星敏感器安装接口的星敏感器(5)。

4.根据权利要求1所述的用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，其特征在于，所述连接分离组件(4)包括依次连接的第一安装支架(42)、连接分离机构(41)、第二安装支架(43)；

第一安装支架(42)与卫星本体框架结构(1)相连，第二安装支架(43)与星敏感器安装横梁组件(2)相连；

连接分离机构(41)包括两个熔断式切割器，每个熔断式切割器有一把热刀，所述热刀用于切断连接分离机构(41)中的压紧锁，使第一安装支架(42)与第二安装支架(43)分离，从而使星敏感器安装横梁组件(2)与卫星本体框架结构(1)分离。

5.根据权利要求2所述的用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，其特征在于，连接孔(21)、套筒(32)、垫片(33)之间相接触的面上镀有润滑膜。

6.根据权利要求1所述的用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，其特征在于，星敏感器安装横梁组件(2)由碳纤维增强复合材料制作而成。

7.根据权利要求1所述的用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，其特征在于，星敏感器安装横梁组件(2)为一整体结构。

8.根据权利要求2所述的用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构，其特征在于，星敏感器安装横梁组件(2)的连接孔(21)的孔口附近贴有与连接螺杆组件(3)相配合的垫圈，垫圈由钛合金材料制成，并镀有润滑膜。