CN106525078A - 高精度星敏感器真空标定辅助装置及热变形修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度星敏感器真空标定辅助装置，该装置包含：主安装架，其中空内部形成容置空间，星敏感器设置于该容置空间中并与主安装架固定连接，主安装架对应星敏感器的入光口设有入光开口；反射镜组件，其设置于主安装架的入光开口处，对应星敏感器的入光口设置辅助支撑架，其固定于主安装架的容置空间的底部，并与容置空间内星敏感器的底部相抵，向星敏感器施加压力，提供对星敏感器向上的支撑，使星敏感器固定在辅助支撑架与主安装架内壁之间。本发明用于真空标定试验中星敏感器的高稳定安装，减小热力学环境因素对标定结果的影响，提高星敏感器标定的精度。

Description

高精度星敏感器真空标定辅助装置及热变形修正方法

技术领域

本发明涉及空间飞行器真空标定技术，具体涉及一种高精度星敏感器真空标定辅助装置及热变形修正方法。

背景技术

星敏感器是空间飞行器GNC系统的关键部件，主要用于空间飞行器三轴姿态测量和导航。随着星敏感器精度指标要求的提高，对其低频误差的研究与评估技术也逐步发展。造成星敏感器低频误差的主要因素有：光学系统标定的残差，星敏感器星表的误差、色差，因温度变化导致的光机结构形变等；既取决于产品的自身特性，也与产品的应用环境相关，其抑制技术难度大，工艺要求高。在标定手段上，国内已建立星敏感器真空标定测试系统，可在真空环境中，不同温度条件下，对星敏感器进行标定，修正温度对产品标定参数的影响，进而减小产品低频误差。

真空标定测试系统主要由真空罐、平行光管、恒温转台和控制设备等组成。在真空标定过程中，受热力学环境因素影响，转台台面及安装装置的变形均会在标定结果中引入误差。为配合真空标定系统的使用，必然需要一套高稳定度的辅助装置，用于星敏感器的安装。目前国内外主流星敏感器的结构材料均为铝合金，星敏感器安装测试用支架材料通常为碳素结构钢，或轻质的铝合金、镁合金，仅仅提供产品的安装功能。使用这类支架在不同温度条件下标定星敏感器，既容易导致热变形，又无法对转台、支架和产品各自的热变形加以区分，影响标定精度。

发明内容

本发明提供一种高精度星敏感器真空标定辅助装置及热变形修正方法，用于真空标定试验中星敏感器的高稳定安装，减小热力学环境因素对标定结果的影响，提高星敏感器标定的精度。

为实现上述目的，本发明提供一种高精度星敏感器真空标定辅助装置，其特点是，该装置包含：

主安装架，其中空内部形成容置空间，星敏感器设置于该容置空间中并与主安装架固定连接，主安装架对应星敏感器的入光口设有入光开口；

反射镜组件，其设置于主安装架的入光开口处，对应星敏感器的入光口设置

辅助支撑架，其固定于主安装架的容置空间的底部，并与容置空间内星敏感器的底部相抵，向星敏感器施加压力，提供对星敏感器向上支撑，使星敏感器固定在辅助支撑架与主安装架内壁之间。

上述反射镜组件入光口对应连接有平行光管，该反射镜组件包含：

环形的反射镜，平行光管的部分出射光线通过反射镜入射星敏感器，部分出射光线被反射镜反射；

镜框，其固定于主安装架的入光开口处，反射镜设置于镜框与主安装架之间形成的空腔中；

真空橡胶垫，其垫设在反射镜与镜框之间。

上述反射镜为微晶玻璃材料，其有效面积大于等于120平方厘米，内圆直径大于等于9厘米。

上述辅助支撑架包含：

支撑板，其固定在主安装架的容置空间的底部；

一个或若干个调节螺杆，其可调的串设在支撑板的螺孔中；

一个或若干个保护垫块，每个保护垫块对应设置于一个调节螺杆的顶部，调节螺杆通过保护垫块与主安装架的容置空间内的星敏感器的底部相抵并压紧。

上述主安装架通过连接机构固定于真空标定用的转台上，主安装架与连接机构和转台接触处设有隔热垫圈。

上述主安装架采用殷钢材料。

上述主安装架的外壁设有一个或若干个减重槽。

一种高精度星敏感器真空标定辅助装置的热变形修正方法，其特点是，该方法包含：

设星敏感器安装面温度变化量为ΔT时，平行光管出射的平行光经反射镜反射后，在平行光管后方探测器靶面所成像点坐标的变化量为Δx和Δy，平行光管内透镜组的焦距为f，则转台X向和Y向随单位温度的角位移量如式(1)和式(2)：

将转台X向和Y向随单位温度的角位移量作为已知参数代入星敏感器真空标定的修正关系式中，消除转台变形的影响。

本发明高精度星敏感器真空标定辅助装置及热变形修正方法和现有技术相比，其优点在于，本发明主安装架采用殷钢材料，并采用热变形修正方法，充分考虑了热学环境因素对星敏感器标定的影响，可忽略装置本身热变形对星敏感器标定带来的误差；并通过材料热膨胀系数的匹配，保证温变环境下，反射镜的面形精度，从而精确测量转台的热变形；

本发明使用辅助支撑架，保证星敏感器安装的稳定性，减小因重力导致的微变形对标定精度的影响；

本发明使用隔热垫圈，有效隔绝转台与装置之间的热交换，有利于星敏感器安装面温度迅速平衡于期望的温度点。

附图说明

图1为本发明高精度星敏感器真空标定辅助装置的爆炸图；

图2为本发明高精度星敏感器真空标定辅助装置的结构示意图；

图3为本发明高精度星敏感器真空标定辅助装置的剖视图；

图4为本发明主安装架与转台连接处的结构示意图；

图5为本发明高精度星敏感器真空标定辅助装置的安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1并集合图2、图3所示，为一种高精度星敏感器真空标定辅助装置的实施例，该装置连接于真空标定用的转台上，该高精度星敏感器真空标定辅助装置包含：主安装架110、反射镜组件120和辅助支撑架130。

主安装架110采用立方体结构，内部中空形成容置空间，星敏感器210设置于该主安装架110的容置空间中，并与主安装架110通过螺钉紧固，实现与主安装架110固定连接。

主安装架110对应星敏感器210的入光口的侧壁，该侧壁定为主安装架前端，设有入光开口111。

另外，主安装架110的未设置入光开口的侧壁还分别设有一个或若干个减重槽112，同时便于主安装架110的搬动及操作。本实施例中，在于设有入光开口111的侧壁相邻的一对对称侧壁上设有一对对称的减重槽112。

本实施例中，主安装架110的底部还设有贯通容置空间与外部的底部开口，用于安装辅助支撑架130。主安装架110与设有入光开口111的侧壁相对的侧壁上还设有星敏感器安装孔113。

主安装架110采用殷钢材料，殷钢材料具有热膨胀系数低的特性。具体的，殷钢的热膨胀系数约为铝合金的1/30，因此高精度星敏感器真空标定辅助装置本身的变形量可忽略，重点需要考虑的是真空标定用的转台的热变形。

反射镜组件120设置于主安装架110的入光开口处，对应星敏感器210的入光口设置，用于测量转台的热变形。

反射镜组件120入光口对应连接有平行光管220，该反射镜组件120包含：反射镜121、镜框123和真空橡胶垫122。

反射镜121采用环形结构，平行光管220与反射镜121对准设置，平行光管220的部分出射光线通过反射镜121入射星敏感器210，部分出射光线被反射镜121反射。反射镜121有效面积大于等于120平方厘米，内圆直径大于等于9厘米，以保证足够的反射光强度，供平行光管后的探测器接收。反射镜121采用微晶玻璃材料，热膨胀系数与殷钢相匹配。

镜框123为圆柱型结构、中空、两端开口，朝向主安装架110的一端设有固定用的耳片，耳片上串设螺钉，通过螺钉对应固定于主安装架110的入光开口111处，在镜框123与主安装架110之间形成用于放置反射镜121的空腔，反射镜121则设置于镜框与主安装架之间形成的该空腔中。

真空橡胶垫122为环形结构，其垫设在反射镜121与镜框123之间。

辅助支撑架130固定于主安装架110的容置空间的底部，位于容置空间内星敏感器210的下方，并与星敏感器210的底部相抵，向星敏感器210施加压力，提供对星敏感器210向上支撑，使星敏感器210固定在辅助支撑架130与主安装架110内壁之间。

辅助支撑架130用于保证星敏感器210的稳定安装，避免星敏感器210悬臂式安装，因重力导致的微变形影响标定精度。辅助支撑架130包含：支撑板131、调节螺杆133和保护垫块132。

支撑板131通过螺钉固定在主安装架110的容置空间的底部。本实施例中，主安装架110底部设有底部开口，支撑板131通过螺钉固定在底部开口内。

一个或若干个调节螺杆133可调的串设在支撑板131的螺孔中。本实施例中为保证对星敏感器210的稳定支撑，在星敏感器210安装完毕后，选择支撑板131上合适位置间隔串设入四个调节螺杆133，使用定力矩扳手向上旋进调节螺杆133，并在与星敏感器210相抵后，拧紧调节螺杆133，以支撑星敏感器210，并且锁紧调节螺杆133与支撑板313间的螺母，防止松动。支撑板131与调节螺杆133匹配的螺孔采用细牙螺纹以便于调节螺杆133调整。并且支撑板131上配合设有多排用于串设调节螺杆133的螺孔，可用于不同尺寸星敏感器210安装后的辅助支撑。

每个调节螺杆133顶端与星敏感器210底部相抵处对应设有保护垫块132，调节螺杆133通过保护垫块132与主安装架110的容置空间内的星敏感器210的底部相抵并压紧，通过保护垫块132可以避免调节螺杆133转动时划伤星敏感器210底部表面。

如图4并结合图5所示，主安装架110通过螺钉固定于真空标定用的转台310的台面上，螺钉由主安装架110底部的耳片上方串设入转台310。主安装架110在其耳片上表面与螺钉接触处，及耳片下表面与转台310接触处，分别设置有隔热垫圈140，避免主安装架110与转台310及安装螺钉直接接触，避免真空标定转台与高精度星敏感器真空标定辅助装置之间的热耦合。隔热垫圈140采用环氧酚醛层压玻璃布板加工而成，隔离主安装架110与转台310的热量交换，使得星敏感器210安装面温度能迅速平衡于期望的温度点。

如图3并结合图4所示，本发明高精度星敏感器真空标定辅助装置的安装流程如下：将反射镜121安装于主安装架110前端，垫真空橡胶垫122保护镜面后扣上镜框123，用螺钉紧固。星敏感器210安装于主安装架110内部。辅助支撑装置130安装于产品下方，可按各星敏感器210外形选择合适位置旋入调节螺杆133，并在调节螺杆133头部放置保护垫块132；使用定力矩扳手拧紧调节螺钉，使保护垫块132压紧星敏感器210；之后锁紧螺杆133与支撑板131间的螺母，防止松动。至此星敏感器210与装置主要部分安装形成一个整体，垫隔热垫圈140后，安装于真空标定用转台310上。

标定过程中，由于需要在星敏感器310全视场范围内采点，所以星敏感器210的俯仰角度会变化，使用辅助支撑装置130可有效保证星敏感器210安装的力学稳定性，减小在不同倾角下，星敏感器210受重力引起的微形变。

真空标定试验通过在不同的温度点对产品重复标定过程，最终以温度为参数，修正星敏感器210的标定系数。通常以星敏感器210热平衡后，安装面的温度作为参考温度。星敏感器210安装装置及转台310的变形均会对标定系数的修正造成影响。由于主安装架110采用殷钢，热膨胀系数约为铝合金的1/30，因此高精度星敏感器真空标定辅助装置本身的变形量可忽略，重点需要考虑的是转台的热变形。

所以，本发明还公开了一种高精度星敏感器真空标定辅助装置的热变形修正方法，该方法包含以下步骤：

S1、设星敏感器安装面温度变化量为ΔT时，平行光管出射的平行光经反射镜反射后，在平行光管后方探测器靶面所成像点坐标的变化量为Δx和Δy，平行光管内透镜组的焦距为f，则转台X向和Y向随单位温度的角位移量如式(1)和式(2)：

S2、将转台X向和Y向随单位温度的角位移量作为已知参数代入星敏感器真空标定的修正关系式中，消除转台变形的影响。

本发明提出的高精度星敏感器真空标定辅助装置，充分考虑了真空标定过程中，星敏感器安装的热学和力学稳定性，可有效减小热力学环境因素对星敏感器标定精度的影响。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种高精度星敏感器真空标定辅助装置，其特征在于，该装置包含：

主安装架，其中空内部形成容置空间，星敏感器设置于该容置空间中并与主安装架固定连接，主安装架对应星敏感器的入光口设有入光开口；

反射镜组件，其设置于主安装架的入光开口处，对应星敏感器的入光口设置

辅助支撑架，其固定于主安装架的容置空间的底部，并与容置空间内星敏感器的底部相抵，向星敏感器施加压力，提供对星敏感器向上支撑，使星敏感器固定在辅助支撑架与主安装架内壁之间。

2.如权利要求1所述的高精度星敏感器真空标定辅助装置，其特征在于，所述反射镜组件入光口对应连接有平行光管，该反射镜组件包含：

环形的反射镜，平行光管的部分出射光线通过反射镜入射星敏感器，部分出射光线被反射镜反射；

镜框，其固定于主安装架的入光开口处，反射镜设置于镜框与主安装架之间形成的空腔中；

真空橡胶垫，其垫设在反射镜与镜框之间。

3.如权利要求2所述的高精度星敏感器真空标定辅助装置，其特征在于，所述反射镜为微晶玻璃材料，其有效面积大于等于120平方厘米，内圆直径大于等于9厘米。

4.如权利要求1所述的高精度星敏感器真空标定辅助装置，其特征在于，所述辅助支撑架包含：

支撑板，其固定在主安装架的容置空间的底部；

一个或若干个调节螺杆，其可调的串设在支撑板的螺孔中；

一个或若干个保护垫块，每个保护垫块对应设置于一个调节螺杆的顶部，调节螺杆通过保护垫块与主安装架的容置空间内的星敏感器的底部相抵并压紧。

5.如权利要求1所述的高精度星敏感器真空标定辅助装置，其特征在于，所述主安装架通过连接机构固定于真空标定用的转台上，主安装架与连接机构和转台接触处设有隔热垫圈。

6.如权利要求1所述的高精度星敏感器真空标定辅助装置，其特征在于，所述主安装架采用殷钢材料。

7.如权利要求1所述的高精度星敏感器真空标定辅助装置，其特征在于，所述主安装架的外壁设有一个或若干个减重槽。

8.一种高精度星敏感器真空标定辅助装置的热变形修正方法，其特征在于，该方法包含：

设星敏感器安装面温度变化量为ΔT时，平行光管出射的平行光经反射镜反射后，在平行光管后方探测器靶面所成像点坐标的变化量为Δx和Δy，平行光管内透镜组的焦距为f，则转台X向和Y向随单位温度的角位移量如式(1)和式(2)：

${\mathrm{\Δ\θ}}_x=\left(\arctan \frac{\mathrm{\Δ}x}{f}\right)/(2\·\mathrm{\Δ}T)\≈\frac{\mathrm{\Δ}x}{2f\·\mathrm{\Δ}T}---\left(1\right)$

${\mathrm{\Δ\θ}}_y=\left(\arctan \frac{\mathrm{\Δ}y}{f}\right)/(2\·\mathrm{\Δ}T)\≈\frac{\mathrm{\Δ}y}{2f\·\mathrm{\Δ}T}---\left(2\right)$

将转台X向和Y向随单位温度的角位移量作为已知参数带入星敏感器真空标定的修正关系式中，消除转台变形的影响。