一种星敏感器高平面度实现方法与流程

本发明涉及一种星敏感器高平面度实现方法，属于航天器部件制造技术领域。

背景技术：

星敏感器是航天器控制分系统中重要的姿态测量部件，一般由光学系统、电路及机械结构等多种复杂的零组件组装而成。由于星敏感器通常安装在航天器舱外，除了内部电路中的电子元器件发热外，还可能受到太阳、地球和月亮等外热流的照射影响，因此为了保证星敏感器处于正常的工作温度范围内，需保证其有良好的散热通道。星敏感器主要通过其安装法兰与支架直接安装通过热传导来散热。

一般而言，安装法兰与支架接触面的平面度指标越高，接触传热系数越高。若能将光电产品的整机平面度由0.1mm提高至0.02mm，同时支架平面度也由0.1mm提高至0.02mm，相对于0.1mm平面度条件下接触传热系数将能提高1至2个数量级，接触传热系数将由100w/m²·k～500w/m²·k提高至5000w/m²·k～50000w/m²·k。某种星敏感器产品的功耗约为8w，受太阳、地球和月球等外热流照射的平均功率为12w，在接触面平面度为0.1mm的条件下，星敏感器产品与支架的温差在2℃～4℃范围内，若能将接触面平面度提升至0.02mm，星敏感器产品与支架的温差将减小至0.2℃以内，因此提高星敏感器产品的整机平面度可以大大提升星敏感器产品的整机散热能力。

目前主流应用的航天器用星敏感器产品除了实现既定的姿态测量功能外，还有小型化、轻量化的技术指标需求，而星敏感器产品在空间飞行应用前还需要通过严酷的鉴定级力学试验、空间热环境试验的考核。为了保证星敏感器产品具有相对较好的强度和刚度，星敏感器产品内部广泛采用超静定、过定位结构设计，需要装配的零组件较多、装配流程也较为复杂。星敏感器产品的安装法兰除了提供安装接口外，还需要安装各种零组件、光学系统或电路，因此其结构通常比较复杂，加工或零件静置过程中容易产生变形，从而引起安装面的变形；在星敏感器产品由零组件装配成整机的过程中，由于采用了这种超静定、过定位结构设计，零组件之间必然存在残余应力，容易引起整机安装面的变形；同时由于星敏感器产品整机还要经受调焦、标定、力学试验、空间热环境试验和观星等诸多环境因素的影响，在试验过程中也会产生应力释放，使得星敏感器产品整机尤其是安装法兰接触平面发生变形。

航天任务对星敏感器产品的整机安装法兰的平面度一般要求为0.1mm，大部分星敏感器产品可以满足0.1mm的平面度指标要求，但还有部分星敏感器产品在产品研制初期平面度优于0.1mm，但在经历力学试验、空间热环境试验后，产品的平面度就达到了0.12mm～0.15mm，而星敏感器产品的平面度是航天产品验收时的一个重要指标，该项指标超差可能导致该产品被用户拒收。

解决星敏感器产品整机平面度超差的措施有两种：一种是通过橡皮锤多次敲击光电产品的本体，使得平面度满足要求；另一种是通过整机研磨的方式，使得平面度满足要求。

通过橡皮锤敲击星敏感器产品实现星敏感器产品高平面度存在以下不足：

1、高平面度实现过程不能量化且平面度水平不高。通过橡皮锤敲击星敏感器产品的本体实现高平面度的原理是，星敏感器产品放在平面度更高的大理石平台上，橡皮锤敲击星敏感器产品本体结构进而对星敏感器产品的安装法兰产生了作用力，大理石平台对安装法兰有反作用力从而校正星敏感器产品安装法兰的平面度，但这种校正平面度的方法过于间接且实施过程中难以量化，在实际实施过程中常有经过多次敲击后星敏感器产品的平面度仍难以达标的案例发生。

2、星敏感器产品受橡皮锤多次敲击后存在过试验的风险。橡皮锤多次敲击星敏感器产品，实际上是对星敏感器产品施加了多次的冲击激励，虽然这些冲击激励量级较小，但也属于星敏感器产品研制任务规定之外的冲击激励，对星敏感器产品及其内部光学系统、电子元器件可能有潜在的损伤风险。

基于以上两点不足，在实际操作过程中已很少使用橡皮锤敲击的方法来校正星敏感器产品的平面度了。

而通过整机研磨的方法来实现星敏感器产品的高平面度则存在以下不足：

1、星敏感器产品在整机研磨过程中可能存在静电损伤的风险。星敏感器产品在整机研磨过程中，其安装法兰与研磨台面会产生静电，而星敏感器产品是静电敏感产品，静电很容易损伤星敏感器产品内部的电子元器件导致星敏感器产品功能失效。

2、星敏感器产品在整机研磨过程中可能存在被多余物污染的风险。星敏感器产品在整机研磨过程中，是需要在研磨台面上添加研磨颗粒或研磨液的，通过研磨颗粒或研磨液与安装法兰的摩擦来实现安装法兰底面的极小余量去除，经过长时间的研磨来实现安装法兰的平面度，由于星敏感器产品具有结构复杂、封闭性差的特点，研磨颗粒或研磨液很容易在研磨过程中进入星敏感器产品内部进而产生多余物，从而污染产品。

3、星敏感器产品交付用户后装配至航天器前仍存在平面度变差的风险。星敏感器产品整机研磨在提高整机平面度的同时，也会对结构产生应力作用。星敏感器产品交付用户后，通常需要经过较长时间的测试，在测试和静置过程中，研磨过程中产生的残余应力可能会影响整机的平面度，进而发生星敏感器产品交付用户时整机平面度达标而装配至航天器前整机平面度超差的问题。

基于以上的不足，星敏感器产品通过整机研磨来实现产品整机的高平面度也存在较大的风险。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星敏感器高平面度实现方法，解决了光电产品装配后、经历恶劣的力学试验条件和空间热环境试验后平面度变差的问题，同时避免了采用现有技术提高整机平面度可能带来的静电损失风险、多余物污染风险和过试验等风险。

本发明的技术解决方案是：

一种星敏感器高平面度实现方法，该方法包括对星敏感器的装配设计和对星敏感器的测试设计；星敏感器结构主要包括安装法兰、顶盖板、四个支撑柱和四个侧盖板；

通过螺钉将四个支撑柱的一端连接在安装法兰上，再通过四个螺钉将顶盖板连接在四个支撑柱的另一端上，即四个支撑柱的底端为安装法兰，四个支撑柱的顶端为顶盖板；

四个侧盖板与安装法兰、顶盖板也通过螺钉固定连接，即四个侧盖板的底端为安装法兰，四个侧板的顶端为顶盖板；

所述的对星敏感器的装配设计为：四个侧盖板的高度h小于顶盖板与安装法兰之间的距离l，l-h为0.05-0.1mm；l为顶盖板下表面与安装法兰上表面之间的距离；

对星敏感器的测试设计为：通过螺钉将安装法兰固定连接在高平面度的保护板上，所述的高平面度的保护板的平面度优于5μm，保护板为一平板，即在对星敏感器进行测试前通过螺钉将安装法兰固定连接在保护板上，然后再进行测试，所述的测试包括调焦测试、标定测试、力学试验测试、热试验测试和观星测试等。

本发明与现有技术的优点在于：

(1)本发明提出的一种星敏感器产品的高平面度实现方法，实现了优于0.01mm的平面度，远高于现有星敏感器产品通常要求的0.1mm的平面度水平；

(2)本发明解决了星敏感器产品研制过程由于复杂的装配、恶劣的力学试验和热学试验所导致的整机平面度超差的难题，实现了优于0.01mm的高平面度，同时对产品整机没有性能上的隐患；

(3)本发明提出的一种星敏感器产品整机高平度的实现方法，是一种集成了装配设计和测试设计的控制方法，实现了星敏感器产品整机平面度的全过程监测与控制，是一种事前、事中控制方法，与以往星敏感器产品整机通过研磨实现高平面度的事后控制方法不同，避免了整机研磨存在的静电损伤、污染等风险；

(4)该发明提出的一种星敏感器产品的整机高平面度实现方法，实用、可靠，可推广至所有复杂结构的航天器部件研制中，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明星敏感器结构示意图；

图2为本发明星敏感器安装在保护板上的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

星敏感器产品主要结构组成如附图1所示，由安装法兰1、顶盖板2、支撑柱3(共4个)、侧盖板4(共4个)组成。

星敏感器的装配设计方法如下：

a)通过螺钉将四个支撑柱连接在安装法兰上，再通过四个螺钉将顶盖板连接在四个支撑柱上；

b)通过螺钉将侧盖板下端连接在安装法兰上，将侧盖板上端连接在顶盖板上；

c)四个侧盖板的高度h小于顶盖板与主体法兰之间的距离l，l-h为0.05-0.1mm。

星敏感器的测试设计方法如下：

如图2所示，通过螺钉将安装法兰1固定连接在高平面度的保护板5上，所述的高平面度的保护板的平面度优于5μm，保护板为一平板，即在对星敏感器进行测试前通过螺钉将安装法兰固定连接在保护板上，然后再进行测试，所述的测试包括调焦测试、标定测试、力学试验测试、热试验测试和观星测试等。

通过以上方法，可实现星敏感器产品的整机平面度优于0.01mm。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。