月球探測器方案設(shè)計(jì)論文
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1.1RM器測試概述
月球探測器RM測試需要具備被測天線產(chǎn)品、輻射模擬器、測試環(huán)境系統(tǒng)以及特定工況下的地面支持設(shè)備。被測天線產(chǎn)品是測試系統(tǒng)的主體，采用真實(shí)產(chǎn)品或者具備真實(shí)產(chǎn)品同等性能的產(chǎn)品；全尺寸的輻射模型星是RM測試的載體，模擬真實(shí)航天器的外形尺寸，測試狀態(tài)達(dá)到1∶1的真實(shí)環(huán)境；月球探測器等復(fù)雜系統(tǒng)的測試環(huán)境一般在緊縮場，其有效的系統(tǒng)檢測手段可驗(yàn)證航天器產(chǎn)品在軌的工作狀態(tài)和性能，月球探測器的RM測試試驗(yàn)在CCR120/100緊縮場內(nèi)進(jìn)行，緊縮場配備了橫向滑臺的大型DUT轉(zhuǎn)臺，不僅具有方位、俯仰、滾動軸功能，而且被測天線產(chǎn)品在靜區(qū)中的位置可以通過滑臺的橫向移動實(shí)現(xiàn)，采用方向圖比較法等先進(jìn)測量方法可以改善測試精度。地面支持設(shè)備是輔助RM測試必需的保障條件，不僅實(shí)現(xiàn)輻射模型星的吊裝、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)針對嫦娥三號特殊工況的試驗(yàn)，還要有特定的轉(zhuǎn)接法蘭滿足天線不同測試方向的要求。
1.2RM測試位姿要求
月球探測器的測控天線產(chǎn)品具有幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高、天線種類多、天線布局分散等特點(diǎn)。RM測試試驗(yàn)不僅工況苛刻，而且試驗(yàn)工況多，其中僅X頻段天線和S頻段天線試驗(yàn)就需要16個(gè)方向的測試，其它頻段測控天線的試驗(yàn)不再贅述。X頻段測控天線共4臺，其中2臺安裝在輻射模擬器的+X面，在XOZ平面內(nèi)與+X軸和-Z軸成45°夾角，另外2臺安裝在輻射模擬器的-X面，在XOZ平面內(nèi)與-X軸和+Z軸成45°夾角。4臺X頻段測控天線裝配位置有較大差別，需要測試8個(gè)剖面的方向圖，每個(gè)天線測試均需保證天線的機(jī)械軸為水平方向。S頻段天線共2臺，S頻段天線A和S頻段天線B，分別安裝在輻射模擬器的+X面和-X面上，沿輻射模擬器X軸安裝。S頻段測控天線為收發(fā)共用天線，需要對S頻段測控天線的發(fā)射和接收方向圖分別進(jìn)行測試，需要測試8個(gè)剖面的方向圖。月球探測器在緊縮場測試中的X頻段和S頻段天線要求實(shí)現(xiàn)16個(gè)方向的測試，RM測試的實(shí)現(xiàn)具有以下幾項(xiàng)難點(diǎn)：a.RM測試方案優(yōu)化：RM器測試工況多達(dá)到16種，若不進(jìn)行測試方案優(yōu)化，每次試驗(yàn)均需要進(jìn)行一次地面支持設(shè)備的狀態(tài)設(shè)置。測試狀態(tài)設(shè)置需要求在DUT轉(zhuǎn)臺頂部近10m高位置進(jìn)行群體性高空作業(yè)，具有較大的操作風(fēng)險(xiǎn)，并且每次狀態(tài)設(shè)置近1天時(shí)間，無法滿足緊張的航天器研制計(jì)劃。因此，需要測試方案和地面支持設(shè)備設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)，優(yōu)化RM測試方案，減少地面支持設(shè)備的調(diào)整，降低高空操作的風(fēng)險(xiǎn)，且保障研制和測試進(jìn)度。b.復(fù)雜輻射模擬器的設(shè)計(jì)：RM結(jié)構(gòu)復(fù)雜且接口較多，為了保證天線的測試準(zhǔn)確性，需嚴(yán)格校核輻射模擬器的強(qiáng)度，若強(qiáng)度無法滿足要求，會使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差甚至導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。c.RM器的翻轉(zhuǎn)功能：RM測試的各個(gè)工況，天線的朝向不同，RM測試姿態(tài)也不同，因此設(shè)計(jì)一套翻轉(zhuǎn)吊具實(shí)現(xiàn)RM的翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)吊具的設(shè)計(jì)確保翻轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性，同時(shí)需避免與嫦娥三號的著陸緩沖機(jī)構(gòu)、測控天線等突出設(shè)備干涉。
2RM測試方案及工裝總體方案設(shè)計(jì)
2.1測試方案與工裝協(xié)同設(shè)計(jì)
一般地面支持設(shè)備直接依據(jù)設(shè)計(jì)方提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，較少考慮工程試驗(yàn)中工裝的使用工況分析。航天產(chǎn)品由于組成復(fù)雜、技術(shù)難度復(fù)雜、制造過程復(fù)雜及項(xiàng)目管理復(fù)雜的特點(diǎn)，早已提出了由不同領(lǐng)域設(shè)計(jì)者相互協(xié)作、共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)過程。月面探測器緊縮場RM測試方案復(fù)雜，且直接主導(dǎo)地面支持設(shè)備的設(shè)計(jì)和配套，需將測試方案與地面支持設(shè)備的設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)，并可反復(fù)進(jìn)行。測試方案設(shè)計(jì)階段，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)平臺、視頻會議方式，工藝人員和工裝設(shè)計(jì)人員可融入到產(chǎn)品測試方案設(shè)計(jì)中，從工藝角度上試驗(yàn)的可實(shí)施性以及地面支持設(shè)備的設(shè)計(jì)可行性進(jìn)行反饋，對測試方案進(jìn)行交互式修訂，并可并行開展地面支持設(shè)備的設(shè)計(jì)，如此往復(fù)設(shè)計(jì)，可將測試方案的工藝性提高到最優(yōu)的程度，并提高設(shè)計(jì)效率。
2.2X頻段天線測試工裝設(shè)計(jì)方案
X頻段天線有兩種測試狀態(tài)，分別是對+X面天線測試狀態(tài)和-X面天線測試狀態(tài)，每個(gè)測試狀態(tài)需完成4個(gè)方向的測試，每個(gè)天線4個(gè)方向的測試可通過設(shè)計(jì)X面轉(zhuǎn)接法蘭以及DUT轉(zhuǎn)臺的翻轉(zhuǎn)功能來實(shí)現(xiàn)。
2.4輔助地面支持設(shè)備
各種天線在試驗(yàn)過程中，需要用吊具翻轉(zhuǎn)和水平吊裝衛(wèi)星以調(diào)整姿態(tài)與各試驗(yàn)設(shè)備的測試支架安裝對接。整個(gè)試驗(yàn)除了轉(zhuǎn)接測試支架外，通過兩套翻轉(zhuǎn)吊具、一套水平吊具、一套過渡停放支架實(shí)現(xiàn)RM器整個(gè)測試過程中的姿態(tài)調(diào)整。a.垂直架車和水平架車是輻射器吊裝過程中用于調(diào)姿及換裝吊具的過渡支架。b.組裝兩套單梁兩吊點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)吊具，將兩套單梁兩吊點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)吊具依次與兩套吊車及衛(wèi)星吊點(diǎn)進(jìn)行連接，兩套吊車分別獨(dú)立控制相應(yīng)吊具的升降距離，通過升降距離（調(diào)整吊車?yán)K長）以實(shí)現(xiàn)異形衛(wèi)星90°的翻轉(zhuǎn)，然后將其吊裝到用于臨時(shí)支撐異形衛(wèi)星的過渡支架上。c.組裝單梁四吊點(diǎn)的水平吊具，將該吊具依次與單套吊車及衛(wèi)星吊點(diǎn)連接后，拆除衛(wèi)星與上述過渡支架的緊固件，起吊衛(wèi)星至與45°、22.5°和0°的測試支架相匹配的對接面處，連接緊固件，拆除吊具以進(jìn)行異形衛(wèi)星天線性能測試。
3RM測試工裝詳細(xì)設(shè)計(jì)
3.1模擬輻射器設(shè)計(jì)
輻射模擬器由中心艙模擬件，+X面對接環(huán)、-X面對接環(huán)、發(fā)動機(jī)模擬件四部分組成，如圖4所示。中心艙模擬件用于為產(chǎn)品設(shè)備儀器提供支撐接口；+X面對接環(huán)安裝在中心艙模擬件頂面，在進(jìn)行X頻段接收天線B、X頻段發(fā)射天線B測試時(shí)，用于與停放支架、測試支架連接；-X面對接環(huán)安裝在中心艙模擬件底面，用于與停放支架、測試支架連接，用螺釘連接在中心艙模擬件上；發(fā)動機(jī)模擬件用于模擬7500N發(fā)動機(jī)外形。
3.2X頻段天線測試支架設(shè)計(jì)
X頻段測試支架是連接輻射模擬器和DUT轉(zhuǎn)臺的過渡支架。支架與模擬中心艙對接關(guān)系如圖7所示，支架為鋼板焊接結(jié)構(gòu)件，外形尺寸為1230mm×1230mm×1580mm，材料為Q235，支架側(cè)壁上開有減重槽，重約289kg；兩個(gè)連接面之間為45°夾角，對測試支架進(jìn)行吊裝時(shí)，可以充分利用對接面上現(xiàn)有的孔連接吊環(huán)螺釘實(shí)現(xiàn)吊裝，為了保證測試支架在起吊過程中不發(fā)生歪斜，且方便與DUT轉(zhuǎn)臺對接，設(shè)計(jì)4個(gè)吊帶長度不同，通過吊帶上連接的花藍(lán)螺絲調(diào)節(jié)。
3.3S頻段天線測試支架設(shè)計(jì)
S頻段測試支架是連接模擬中心艙和DUT轉(zhuǎn)臺的過渡支架，通過分別與模擬中心艙4個(gè)斜側(cè)面中的2個(gè)側(cè)面對接，實(shí)現(xiàn)對8個(gè)剖面的方向圖測試，支架為鋼板焊接結(jié)構(gòu)件，外形尺寸為1260mm×1260mm×807mm，連接面之間的夾角為22.5°，重為205kg，對測試支架進(jìn)行吊裝時(shí)，可以充分利用對接面上現(xiàn)有的孔連接吊環(huán)螺釘實(shí)現(xiàn)吊裝。同樣采用SolidWorks的Cosmos工具箱對支架進(jìn)行LinearStaticAnalysis。支架的材料選用1023碳鋼板，材料屈服極限為280MPa，將底面與DUT轉(zhuǎn)臺連接孔固定約束，運(yùn)用遠(yuǎn)程載荷，在距上端面1700mm距離的點(diǎn)上施加8000N，應(yīng)力和變形均滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4輔助地面支持設(shè)備設(shè)計(jì)
為配合天線測試達(dá)到要求，需設(shè)計(jì)專用吊具，包括翻轉(zhuǎn)吊具及水平吊具。X頻段天線A測試時(shí)，利用中心艙吊具水平起吊著陸器與測試支架對接；X頻段天線B測試時(shí)，利用翻轉(zhuǎn)吊具將著陸器在空中翻轉(zhuǎn)180°后與測試支架對接；S頻段天線測試過程中，利用翻轉(zhuǎn)吊具將著陸器翻轉(zhuǎn)90°后，停放在過渡停放支架上，換裝水平吊具起吊與測試支架對接。設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)吊具由2套獨(dú)立的吊具組成，每套吊具均由吊環(huán)、斜吊帶、吊梁、垂直吊帶、卸扣、吊軸組成。每個(gè)吊具有2個(gè)吊點(diǎn)，分別與模擬中心艙相對2個(gè)斜側(cè)面的吊點(diǎn)連接。在使用時(shí)，2套吊具分別與廠房內(nèi)吊車及模擬中心艙吊點(diǎn)連接后，通過控制連接2個(gè)吊具的吊車的升降距離（吊車?yán)K長）實(shí)現(xiàn)90°、180°翻轉(zhuǎn)功能。同樣采用SolidWorks的Cosmos軟件對吊軸進(jìn)行LinearStaticAnalysis。吊軸與中心艙模擬件連接孔固定約束，在與吊帶連接處施加65000N，最大VonMesis應(yīng)力為112.8MPa，安全系數(shù)為5.49，最大變形為0.67mm，滿足使用要求。
4緊縮場測試的實(shí)現(xiàn)
按照嫦娥三號月球探測器測控天線RM測試調(diào)姿方案，通過應(yīng)用研制的輻射模擬器、+X面對接環(huán)、-X面對接環(huán)、X頻段天線轉(zhuǎn)接支架（45°測試支架）、S頻段天線轉(zhuǎn)接支架（22.5°測試支架）、翻轉(zhuǎn)吊具、水平吊具、垂直架車及水平架車等地面支持設(shè)備，順利開展了X頻段測控天線和S頻段測控天線安裝在RM器后的輻射性能測試，驗(yàn)證了X頻段測控天線和S頻段測控天線的性能指標(biāo)。
5結(jié)束語
針對嫦娥三號月球探測器測控天線緊縮場輻射模擬器的復(fù)雜姿態(tài)測試需求，基于協(xié)同設(shè)計(jì)理念，有效地分解了輻射模擬器測控天線復(fù)雜的測試姿態(tài)要求，優(yōu)化了測試方案，使復(fù)雜的試驗(yàn)工裝“化難為簡”，通過對吊具和不同形式測試支架的排列組合，簡單有效地實(shí)現(xiàn)了RM器試驗(yàn)狀態(tài)設(shè)置，提高了緊縮場RM測試的設(shè)計(jì)效率以及裝配工藝性，順利完成了嫦娥三號月球探測器各類天線在緊縮場內(nèi)的RM測試。