月球探測器方案設計論文
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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備。被測天線產品是測試系統(tǒng)的主體，采用真實產品或者具備真實產品同等性能的產品；全尺寸的輻射模型星是RM測試的載體，模擬真實航天器的外形尺寸，測試狀態(tài)達到1∶1的真實環(huán)境；月球探測器等復雜系統(tǒng)的測試環(huán)境一般在緊縮場，其有效的系統(tǒng)檢測手段可驗證航天器產品在軌的工作狀態(tài)和性能，月球探測器的RM測試試驗在CCR120/100緊縮場內進行，緊縮場配備了橫向滑臺的大型DUT轉臺，不僅具有方位、俯仰、滾動軸功能，而且被測天線產品在靜區(qū)中的位置可以通過滑臺的橫向移動實現，采用方向圖比較法等先進測量方法可以改善測試精度。地面支持設備是輔助RM測試必需的保障條件，不僅實現輻射模型星的吊裝、翻轉、轉運，同時針對嫦娥三號特殊工況的試驗，還要有特定的轉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品具有幾何結構復雜、性能要求高、天線種類多、天線布局分散等特點。RM測試試驗不僅工況苛刻，而且試驗工況多，其中僅X頻段天線和S頻段天線試驗就需要16個方向的測試，其它頻段測控天線的試驗不再贅述。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個剖面的方向圖，每個天線測試均需保證天線的機械軸為水平方向。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行測試，需要測試8個剖面的方向圖。月球探測器在緊縮場測試中的X頻段和S頻段天線要求實現16個方向的測試，RM測試的實現具有以下幾項難點：a.RM測試方案優(yōu)化：RM器測試工況多達到16種，若不進行測試方案優(yōu)化，每次試驗均需要進行一次地面支持設備的狀態(tài)設置。測試狀態(tài)設置需要求在DUT轉臺頂部近10m高位置進行群體性高空作業(yè)，具有較大的操作風險，并且每次狀態(tài)設置近1天時間，無法滿足緊張的航天器研制計劃。因此，需要測試方案和地面支持設備設計協(xié)同設計，優(yōu)化RM測試方案，減少地面支持設備的調整，降低高空操作的風險，且保障研制和測試進度。b.復雜輻射模擬器的設計：RM結構復雜且接口較多，為了保證天線的測試準確性，需嚴格校核輻射模擬器的強度，若強度無法滿足要求，會使試驗結果產生較大的偏差甚至導致試驗失敗。c.RM器的翻轉功能：RM測試的各個工況，天線的朝向不同，RM測試姿態(tài)也不同，因此設計一套翻轉吊具實現RM的翻轉。翻轉吊具的設計確保翻轉過程中的穩(wěn)定性，同時需避免與嫦娥三號的著陸緩沖機構、測控天線等突出設備干涉。
2RM測試方案及工裝總體方案設計
2.1測試方案與工裝協(xié)同設計
一般地面支持設備直接依據設計方提出的設計方案進行詳細設計，較少考慮工程試驗中工裝的使用工況分析。航天產品由于組成復雜、技術難度復雜、制造過程復雜及項目管理復雜的特點，早已提出了由不同領域設計者相互協(xié)作、共同完成設計任務的分布式協(xié)同設計過程。月面探測器緊縮場RM測試方案復雜，且直接主導地面支持設備的設計和配套，需將測試方案與地面支持設備的設計協(xié)同設計，并可反復進行。測試方案設計階段，通過虛擬現實技術、企業(yè)級網絡平臺、視頻會議方式，工藝人員和工裝設計人員可融入到產品測試方案設計中，從工藝角度上試驗的可實施性以及地面支持設備的設計可行性進行反饋，對測試方案進行交互式修訂，并可并行開展地面支持設備的設計，如此往復設計，可將測試方案的工藝性提高到最優(yōu)的程度，并提高設計效率。
2.2X頻段天線測試工裝設計方案
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)，每個測試狀態(tài)需完成4個方向的測試，每個天線4個方向的測試可通過設計X面轉接法蘭以及DUT轉臺的翻轉功能來實現。
2.4輔助地面支持設備
各種天線在試驗過程中，需要用吊具翻轉和水平吊裝衛(wèi)星以調整姿態(tài)與各試驗設備的測試支架安裝對接。整個試驗除了轉接測試支架外，通過兩套翻轉吊具、一套水平吊具、一套過渡停放支架實現RM器整個測試過程中的姿態(tài)調整。a.垂直架車和水平架車是輻射器吊裝過程中用于調姿及換裝吊具的過渡支架。b.組裝兩套單梁兩吊點的翻轉吊具，將兩套單梁兩吊點的翻轉吊具依次與兩套吊車及衛(wèi)星吊點進行連接，兩套吊車分別獨立控制相應吊具的升降距離，通過升降距離（調整吊車繩長）以實現異形衛(wèi)星90°的翻轉，然后將其吊裝到用于臨時支撐異形衛(wèi)星的過渡支架上。c.組裝單梁四吊點的水平吊具，將該吊具依次與單套吊車及衛(wèi)星吊點連接后，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，拆除吊具以進行異形衛(wèi)星天線性能測試。
3RM測試工裝詳細設計
3.1模擬輻射器設計
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)動機模擬件四部分組成，如圖4所示。中心艙模擬件用于為產品設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，在進行X頻段接收天線B、X頻段發(fā)射天線B測試時，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)動機模擬件用于模擬7500N發(fā)動機外形。
3.2X頻段天線測試支架設計
X頻段測試支架是連接輻射模擬器和DUT轉臺的過渡支架。支架與模擬中心艙對接關系如圖7所示，支架為鋼板焊接結構件，外形尺寸為1230mm×1230mm×1580mm，材料為Q235，支架側壁上開有減重槽，重約289kg；兩個連接面之間為45°夾角，對測試支架進行吊裝時，可以充分利用對接面上現有的孔連接吊環(huán)螺釘實現吊裝，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轉臺對接，設計4個吊帶長度不同，通過吊帶上連接的花藍螺絲調節(jié)。
3.3S頻段天線測試支架設計
S頻段測試支架是連接模擬中心艙和DUT轉臺的過渡支架，通過分別與模擬中心艙4個斜側面中的2個側面對接，實現對8個剖面的方向圖測試，支架為鋼板焊接結構件，外形尺寸為1260mm×1260mm×807mm，連接面之間的夾角為22.5°，重為205kg，對測試支架進行吊裝時，可以充分利用對接面上現有的孔連接吊環(huán)螺釘實現吊裝。同樣采用SolidWorks的Cosmos工具箱對支架進行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轉臺連接孔固定約束，運用遠程載荷，在距上端面1700mm距離的點上施加8000N，應力和變形均滿足設計要求。
3.4輔助地面支持設備設計
為配合天線測試達到要求，需設計專用吊具，包括翻轉吊具及水平吊具。X頻段天線A測試時，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，利用翻轉吊具將著陸器在空中翻轉180°后與測試支架對接；S頻段天線測試過程中，利用翻轉吊具將著陸器翻轉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。設計的翻轉吊具由2套獨立的吊具組成，每套吊具均由吊環(huán)、斜吊帶、吊梁、垂直吊帶、卸扣、吊軸組成。每個吊具有2個吊點，分別與模擬中心艙相對2個斜側面的吊點連接。在使用時，2套吊具分別與廠房內吊車及模擬中心艙吊點連接后，通過控制連接2個吊具的吊車的升降距離（吊車繩長）實現90°、180°翻轉功能。同樣采用SolidWorks的Cosmos軟件對吊軸進行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應力為112.8MPa，安全系數為5.49，最大變形為0.67mm，滿足使用要求。
4緊縮場測試的實現
按照嫦娥三號月球探測器測控天線RM測試調姿方案，通過應用研制的輻射模擬器、+X面對接環(huán)、-X面對接環(huán)、X頻段天線轉接支架（45°測試支架）、S頻段天線轉接支架（22.5°測試支架）、翻轉吊具、水平吊具、垂直架車及水平架車等地面支持設備，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，驗證了X頻段測控天線和S頻段測控天線的性能指標。
5結束語
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雜姿態(tài)測試需求，基于協(xié)同設計理念，有效地分解了輻射模擬器測控天線復雜的測試姿態(tài)要求，優(yōu)化了測試方案，使復雜的試驗工裝“化難為簡”，通過對吊具和不同形式測試支架的排列組合，簡單有效地實現了RM器試驗狀態(tài)設置，提高了緊縮場RM測試的設計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的RM測試。