星载辐射计动平衡概述及在轨动平衡技术研究_叶志彪.pdf

星载辐射计动平衡概述及在轨动平衡技术研究星载辐射计动平衡概述及在轨动平衡技术研究叶志彪，高一丹，黄佳雷，金旭鑫，何嘉恺，翁艺航（上海航天电子技术研究所，上海201109）摘要：作为卫星在轨对地探测的有效载荷，星载辐射计在轨扫描转动时的动平衡特性直接影响卫星在轨探测精度和姿态稳定度。文章介绍星载辐射计动平衡技术研究现状和发展趋势，并基于现有地面动平衡技术的局限和型号发展需求提出在轨动平衡技术的初步设想，阐述了在轨动平衡配平技术、测量技术和实时调整反馈控制技术，可为今后类似旋转式星载辐射计的动平衡设计和动平衡控制方法提供参考依据。关键词：星载辐射计；动平衡；旋转式辐射计；姿态稳定度；在轨动平衡技术中图分类号：V19文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)01-0062-07DOI:10.12126/see.2022059Dynamic balance of spaceborne radiometer andresearch on related on-orbit technologyYEZhibiao,GAOYidan,HUANGJialei,JINXuxin,HEJiakai,WENGYihang(ShanghaiAerospaceElectronicsTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)Abstract:Thespaceborneradiometer,asoneofthepayloadsofon-orbitEarthobservationanddetection,itsdynamic balance characteristics during on-orbit scanning and rotating directly affect the satellite on-orbitdetectionaccuracyandattitudestability.Inthispaper,therecentresearchanddevelopmenttrendonthedynamicbalancetechnologyofspaceborneradiometerwasintroduced.Basedonthelimitationsofexistingground-baseddynamicbalancetechnologyandtherequirementsofmissiondevelopment,apreliminaryassumptionofon-orbitdynamicbalancetechnologywasproposed.Thecorrespondingtrimming,measurement,andreal-timeadjustmentfeedbackcontroltechnologiesfordynamicbalanceweredescribed.Theproposedresearchmayprovidereferenceforthedesignandcontrolmethodsofdynamicbalanceforsimilarrotaryspaceborneradiometersinthefuture.Keywords:spaceborneradiometer;dynamicbalance;rotaryradiometer;attitudestability;on-orbitdynamicbalancetechnology收稿日期：2022-06-26；修回日期：2023-01-12基金项目：卫星型号项目支持引用格式：叶志彪,高一丹,黄佳雷,等.星载辐射计动平衡概述及在轨动平衡技术研究J.航天器环境工程,2023,40(1):62-68YE Z B,GAO Y D,HUANG J L,et al.Dynamic balance of spaceborne radiometer and research on related on-orbit technologyJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(1):62-68Vol.40,No.1航天器环境工程第40卷第1期62SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2023年2月http:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言现如今各类气象卫星、环境监测卫星、资源探测卫星等的在轨探测手段越来越全面，探测精度要求不断提高1。为保证卫星在轨探测的高精度、高稳定度，必须确保卫星在轨具有良好的姿态稳定度。作为卫星对地探测的重要有效载荷，星载辐射计向大型化、复杂化、多样化发展。其中，旋转式星载辐射计由于其自身转动部分结构的不规则性，转动部分质心无法完全与旋转中心重合，故在轨扫描转动时会对卫星的姿态稳定产生干扰，影响卫星探测精度，严重的甚至可造成卫星在轨倾覆，带来不可估量的损失。因此，在带有旋转部件的星载辐射计研制过程中往往需要对其进行动平衡设计和控制，以减小星载辐射计扫描转动时的动不平衡量，进而降低对卫星的干扰，提高卫星的姿态稳定度和在轨探测精度。本文概述星载辐射计动平衡技术的研究应用，探讨和展望其发展趋势，并提出在轨动平衡技术的初步研究设想，以期为今后类似旋转式星载辐射计的动平衡设计、动平衡控制方法提供一定参考依据，为我国星载辐射计动平衡技术发展提供支撑。1 星载辐射计动平衡技术概述星载辐射计动平衡技术概述动平衡的概念最早出现在转子动力学领域，主要是用以减少转子挠曲、振动和轴承动态反力，动平衡技术研究的目的是减小甚至消除转子的动不平衡2。为此，学者提出了多种动平衡理论，包括力平衡法、两平面影响系数法、模态平衡法及影响系数法等3。各种动平衡理论与实现方法在航空发动机、直升机旋翼4等领域得到了广泛应用。航天领域中，星载辐射计的动平衡技术日益受到关注。在国外，美国的“深度撞击号”彗星探测器在研制过程中进行了动平衡测试。NASA 对其研制的全球降水测量卫星（GPM）搭载的星载辐射计全球微波成像仪（GMI）进行了动平衡方法优化和动平衡测试5，动平衡测试配平后 GMI 的残余静不平衡量为17kgmm、残余偶不平衡量为22000kgmm2。在国内，星载辐射计动平衡技术近十几年经历了快速发展。“风云二号”卫星星载辐射计、“海洋二号”卫星微波辐射计、“风云三号”卫星星载辐射计以及各类微小卫星研制中，都进行了星载辐射计动平衡技术研究6-9，以提升产品的动平衡性能。随着星载辐射计动平衡技术研究的深入，星载辐射计动平衡特性影响因素的研究也更加全面，已经从单纯的地面动平衡测试配平发展为集动平衡测试配平、地面动平衡影响因素分析、空间环境动平衡影响研究等于一体的综合性动平衡技术研究。基于此类综合性动平衡技术的研究，星载辐射计的动平衡性能得到较大提升，某型号大型旋转式星载辐射计的动平衡性能从最初的残余静不平衡量 17kgmm、残余偶不平衡量 10000kgmm2提升至残余静不平衡量 1.5kgmm、残余偶不平衡量 2500kgmm2。可见，我国的星载辐射计动平衡性能要求已高于 NASA类似设备的性能指标。动平衡机是转子动平衡技术发展的最初形式，是转子动平衡特性的直接测试部件。动平衡机研制历史可以追溯到 19 世纪，1907 年，世界第一台平衡机首先被德国的拉瓦切克（Lawaczeck）制造出来；进入 21 世纪，随着信息电子技术的快速发展，动平衡机的测量精度有了很大提高。目前，德国的申克（SCHENCK）公司、霍夫曼（HOFMANN）公司和日本的国际计测器株式会社（KOKUSAI）的动平衡机在国际上处于绝对领先的地位5。我国动平衡机行业的发展起步较晚，20 世纪 50 年代，华中工学院成功研制了国内首台通用型动平衡机10。国内针对空间航天器低转速动平衡测试系统的研究直到 21 世纪才有所发展，近些年在此方面研究比较成熟的有湖北孝感龙腾检测设备有限公司及北京东方科学仪器厂等。其中前者研制的低转速动平衡测试系统已广泛应用于国内大多数航天院所，图 1为该公司 2020 年研制的 ZGT-200 型星载辐射计专用低转速动平衡测试系统，其测试精度已达到残余静不平衡量0.6kgmm、残余偶不平衡量250kgmm2，处于国内领先水平。图1ZGT-200 动平衡测试系统Fig.1ZGT-200dynamicbalancetestsystem第1期叶志彪等：星载辐射计动平衡概述及在轨动平衡技术研究63目前，国内外对星载辐射计地面动平衡技术的研究已相对成熟，动平衡试验方法较为完善，但动平衡测试系统的精度仍有待进一步提高，以减小星载辐射计地面动平衡配平后的残余不平衡量。2 在轨动平衡技术的提出在轨动平衡技术的提出星载辐射计地面动平衡测试主要是通过动平衡机测得星载辐射计转动时的动不平衡量，并根据测试结果在对应位置增加或减少配重块进行配平，以减小星载辐射计的动不平衡量。现有地面动平衡技术只能够提高星载辐射计地面测试状态的动平衡，无法对星载辐射计在轨可能出现的动平衡状态变化进行主动的适应性调节。随着卫星探测技术的快速发展，卫星探测精度大幅提高，对星载辐射计动平衡性能要求也越来越高。单纯依靠地面动平衡测试配平提高星载辐射计动平衡稳定性的传统方式将逐渐无法满足卫星及星载辐射计在轨长寿命、高精度、高稳定度的需求。一方面，部分大型旋转式、可展开式星载辐射计发射入轨后，为保证其展开机构的可靠性，相关活动部件设计时会留有一定间隙，因此，活动部件在轨解锁展开后无法与地面动平衡测试时展开到位的状态完全一致，而展开机构重复展开到位后精度的不一致会造成星载辐射计在轨动平衡状态的变化。例如，某型号星载辐射计地面动平衡配平后，整机残余动不平衡量为静不平衡量 1.08kgmm、偶不平衡量 1137.5kgmm2；而其天线展开机构重复收拢展开后，整机残余动不平衡量变大为静不平衡量 4.3kgmm、偶不平衡量4538.6kgmm2。其动不平衡量增大的主要原因就是展开机构重复收拢展开到位精度变化。另一方面，受地面重力场和在轨复杂的热环境影响，星载辐射计在轨工作后势必会出现动平衡状态的变化。这种变化会随着辐射计在轨工作时间的延长而逐步加大，同时会随着后续星载辐射计空间结构机构的大型化、复杂化变得更加突出。而在轨动平衡技术的发展，可以很好地弥补以上这些不足通过在轨动平衡技术进行星载辐射计在轨动平衡调节，可以实时、精细化地减小星载辐射计在轨动不平衡，大大提高卫星在轨探测精度。后续星载辐射计动平衡技术将逐渐向地面动平衡试验和在轨动平衡技术综合作用发展，依托在轨动平衡技术根据在轨监测结果，对动不平衡变化进行实时补偿配平，支撑卫星在轨探测技术向着精度更高、性能更稳定发展。2021 年，XX-5 卫星启动立项论证，用户初步提出的卫星姿态稳定度指标为 0.2，相较于其上一代 XX-3 卫星 6的卫星姿态稳定度要求，精度提高近 20 倍。据此，XX-5 卫星搭载的星载微波辐射计动不平衡量指标预期提高至静不平衡量小于0.25kgmm、偶不平衡量小于 250kgmm2。而据现有数据的仿真分析，XX-3 卫星星载辐射计在轨长期工作后，空间重力变形、空间热变形会引起星载辐射计静不平衡量 1kgmm、偶不平衡量 1500kgmm2的动平衡变化。因此，仅通过地面动平衡配平是无法满足 XX-5 卫星在轨应用需求的。目前，XX-5 卫星研制团队已经着手进行在轨动平衡技术的研究和方案论证，预计在 2030 年左右实现在轨应用。3 在轨动平衡技术研究在轨动平衡技术研究在轨动平衡技术的应用可以减小旋转式星载辐射计在轨动不平衡量，有助于推动旋转式星载辐射计向大型化、多样化发展。但同时，受制于卫星在轨能源资源的有限性，在轨动平衡系统应当尽可能轻量化，即星载辐射计在轨需要补偿配平的配重块质量应当越小越好。因此，星载辐射计研制过程中一般先进行地面动平衡试验，将其动不平衡量配平减小至一定范围内。具体情况可分为 2 种