袁金如 董長哲 張揚 石新宇 張娟 袁佳晶 陳菡

(1 上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)(2 上海衛(wèi)星裝備研究所,上海 200240)

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星裝載大氣探測激光雷達等多類有效載荷,通過主被動手段結(jié)合實現(xiàn)對大氣細顆粒物、溫室氣體、云和氣溶膠等大氣環(huán)境要素進行全天時綜合監(jiān)測[1]。大氣探測激光雷達(ACDL)采用單波束三波長激光雷達同步探測全球氣溶膠垂直廓線信息、二氧化碳(CO2)柱線濃度。ACDL以主動激光作為工作介質(zhì),產(chǎn)品使用特性特殊,對整星AIT過程各環(huán)節(jié)風(fēng)險控制提出了很高的要求。

星載激光雷達具備集中能量主動發(fā)射、全天時連續(xù)工作、大氣垂直廓線精細觀測等能力,可實現(xiàn)全球冰層地形、氣溶膠和云垂直分布、風(fēng)場廓線探測及碳循環(huán)與溫室氣體效應(yīng)研究[2-4]。國外已經(jīng)在NASA首次激光雷達空間技術(shù)試驗(LITE)[5]、冰、云和陸地高程衛(wèi)星(ICESAT)的地球激光測高系統(tǒng)(GLAS)[6]、云-氣溶膠激光雷達與紅外探路者衛(wèi)星(CALIPSO)的雙波長正交偏振云-氣溶膠激光雷達(CALIOP)[7]、歐洲航天局風(fēng)神衛(wèi)星(ADM-Aeolus)的阿拉丁(ALADIN)測風(fēng)激光雷達[8]等工程項目及“灰背隼”(MERLIN)[9]、歐洲溫室氣體主動探測衛(wèi)星(ASCOPE)[10]、美國二氧化碳濃度主動探測衛(wèi)星(ASCENDS)[11]預(yù)研任務(wù)中應(yīng)用。國內(nèi)空間激光雷達主要應(yīng)用在測繪和環(huán)境探測領(lǐng)域,包括嫦娥一號[12]、資源三號[13]、高分七號[14-16]、大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星[17]等工程,這些文獻描述了星載激光雷達系統(tǒng)高精度機熱保證、測試試驗需求及工程驗證情況。文獻[18-21]介紹了激光雷達系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備激光器的發(fā)射光束質(zhì)量、器件損失防護、使用安全等相關(guān)研究及標準情況。

1 ACDL工作特性及整星AIT特點分析

1.1 ACDL工作原理及組成

ACDL通過監(jiān)測激光在氣溶膠、云或地面的回波信號變化實現(xiàn)大氣環(huán)境要素探測反演。根據(jù)分析,發(fā)射激光波長、能量、重復(fù)頻率等不確定性對探測精度均具有影響[17]。ACDL由光機頭部、功放驅(qū)動箱、溫控箱、配電器等組成。其中光機頭部包括光學(xué)基板、激光功率放大器、望遠鏡及遮光罩、主承力框架、散熱板熱控組件等。

1.2 ACDL特點及工作特性

ACDL具有質(zhì)量體積包絡(luò)大,光機頭部激光器功耗集中熱流密度大,指向精度要求高,激光輻射能量高,局部多余物敏感等特點,具體表現(xiàn)如下。

(1)ACDL光機頭部重750kg,安裝面達1930mm×2350mm,350W熱耗中80%集中在激光功率放大器的局部激光晶體內(nèi),其對衛(wèi)星平臺安裝承載和散熱要求高。

(2)溫度梯度均勻性差引起的熱變形對激光雷達的發(fā)射激光能量、波長等指標影響大,可能導(dǎo)致光束質(zhì)量變壞,功率激光放大器等核心部件對衛(wèi)星溫控要求高。

(3)衛(wèi)星指向不準確導(dǎo)致的沿軌多普勒效應(yīng),強吸收波長(on-line)和弱吸收波長(off-line)足印不重合、激光路徑不確定等會引起全球CO2柱線濃度測量誤差[22-24],其對衛(wèi)星指向確定精度要求高。

以上是8極電機定子沖片6拼(重疊數(shù)為2，圓周共12條拼縫)產(chǎn)生軸電流的機理。如果把扇形片拼數(shù)改為8拼(重疊數(shù)為2，圓周共16條拼縫)，此時磁通路徑示意圖則如圖3所示。

(4)ACDL單脈沖能量分別達150mJ@532nm、110mJ@1064nm和75mJ@1572nm,重復(fù)頻率為20Hz(雙脈沖),按照GB 7247.1—2012的安全等級劃分標準屬于4類激光產(chǎn)品,可對人員等造成嚴重傷害[18],其對輻射損傷防護具有特殊要求。

(5)ACDL發(fā)射望遠鏡擴束反射鏡表面對灰塵等污染敏感,能量聚集會導(dǎo)致光學(xué)鍍膜損傷從而致使光學(xué)系統(tǒng)失效[19-20],其對多余物防控要求高。

(6)ACDL工作時電壓及溫度調(diào)控規(guī)定嚴格,其對衛(wèi)星加斷電時序要求高。

1.3 整星AIT特點及風(fēng)險管控需求分析

由于ACDL具有以上典型特性,其在整星AIT過程具有以下顯著特點和風(fēng)險管控需求。

(1)ACDL頭部集中質(zhì)量大、體積包絡(luò)大、安裝跨度大,安裝精度要求高,安裝連接點密集,安裝面周邊突出物較多,AIT過程拆裝較為頻繁,其裝星調(diào)平、卸載、引導(dǎo)、復(fù)位及防護要求高,對頭部裝拆過程需進行風(fēng)險識別與控制。

(2)ACDL工作時頭部激光功率放大器集中熱耗大熱流密度高,工作面溫度水平和均勻性要求嚴格,AIT過程中激光雷達開機測試時地面水冷輔助散熱、精密溫控和星上加斷電時序要求高,對系統(tǒng)開關(guān)機及工作等測試過程需進行風(fēng)險識別與控制。

(3)ACDL光軸對衛(wèi)星指向確定度要求高,AIT過程中力學(xué)試驗、熱試驗前后需對其光軸精測,確保衛(wèi)星主動段和在軌環(huán)境時光軸穩(wěn)定,對光軸指向監(jiān)測測試過程需進行風(fēng)險識別與控制。

(4)ACDL工作時發(fā)射高頻高功率激光,對人眼、敏感光學(xué)儀器等具有很高危害性,AIT過程中人員、衛(wèi)星和廠房安全防護要求高,一般配備獨立測試廠房,對激光開機工作過程需進行風(fēng)險識別與控制。

(5)ACDL工作時發(fā)射鏡面能量密度較為均勻,灰塵等污染會使鏡面能量顯著聚集繼而導(dǎo)致光學(xué)鍍膜損傷,AIT全過程中發(fā)射望遠鏡等外露光學(xué)部件潔凈度等防污染要求高,對衛(wèi)星地面防污染過程需進行風(fēng)險識別與控制。

2 關(guān)鍵使用特性及風(fēng)險識別分析

2.1 關(guān)鍵使用特性分析

產(chǎn)品使用特性分析是整星AIT過程風(fēng)險識別與控制的前提,其包括產(chǎn)品自身特性和產(chǎn)品間接口關(guān)系特性,應(yīng)重點關(guān)注由于使用不當(dāng)會造成產(chǎn)品故障或存在安全性風(fēng)險的關(guān)鍵使用特性?；谏鲜鍪崂淼腁CDL典型特點及工作特性,開展整星AIT階段總裝集成、測試試驗、射前設(shè)置等典型環(huán)節(jié)ACDL關(guān)鍵使用特性分析,主要涉及大體積大質(zhì)量單機裝配特性、大功耗集中熱流傳輸排散及精密溫控特性、激光輻射安全防護特性、長鏈路光軸指向穩(wěn)定性監(jiān)測特性、污染敏感產(chǎn)品多余物防護特性、單機加斷電嚴格時序特性等。表1為ACDL關(guān)鍵使用特性統(tǒng)計表。

表1 ACDL關(guān)鍵使用特性Table 1 Key using characteristic of ACDL

2.2 AIT風(fēng)險識別

基于ACDL關(guān)鍵使用特性,識別出整星AIT全過程各環(huán)節(jié)風(fēng)險項目,包括大體積大質(zhì)量光機頭部裝星帶來的安裝面或星體單機磕碰,安裝腳受力不均勻和平臺不可恢復(fù)性變形;激光功放等大功耗集中熱流排散地面條件不匹配導(dǎo)致的激光器溫度過高或溫度下降過快;高功率出射激光輻射導(dǎo)致的人員、設(shè)備傷害;發(fā)射望遠鏡擴束鏡面污染導(dǎo)致的激光光束質(zhì)量下降或鏡面鍍膜損傷;以及未按程序要求執(zhí)行加斷電操作導(dǎo)致的ACDL無法工作或器件損傷等。表2為ACDL在整星AIT過程中的風(fēng)險項目清單。

表2 ACDL在整星AIT過程中的風(fēng)險項目清單Table 2 Key risk indexes of ACDL in satellite AIT process

3 風(fēng)險控制措施及效果

本部分針對基于ACDL關(guān)鍵使用特性識別的風(fēng)險項目,按整星總裝集成、測試試驗及射前設(shè)置三個階段描述相關(guān)控制措施及工程實踐情況。

3.1 總裝集成階段

總裝集成階段的風(fēng)險項目是大體積大質(zhì)量頭部的裝星特性。

針對ACDL頭部裝星時與星體設(shè)備磕碰風(fēng)險,設(shè)計引導(dǎo)銷粗定位,將頭部晃動限定在安全范圍內(nèi)。針對頭部安裝精度調(diào)整難問題,設(shè)計裝星定位銷,通過配打銷孔實現(xiàn)精確復(fù)位,并確保安裝腳受力均勻。為實現(xiàn)銷孔配打時衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)裝配與ACDL主承力框架制造過程解耦,采用了鉆模板轉(zhuǎn)接確保精度傳遞。針對ACDL頭部裝星時局部接觸應(yīng)力過大可能導(dǎo)致的安裝面受損風(fēng)險,采用半卸載安裝形式,同時確保調(diào)平到位。通過吊點轉(zhuǎn)接件使頭部吊點處受力均勻并實現(xiàn)便于調(diào)平的三點起吊。頭部安裝面調(diào)平至水平度6mm以內(nèi)(0.2°)后下降與衛(wèi)星安裝面接觸,在卸載1/2至1/3狀態(tài)時進行螺釘安裝和力矩實施。圖1為ACDL三點吊裝示意圖。

圖1 ACDL三點吊裝示意圖Fig.1 Three point lifting scheme of ACDL

針對ACDL頭部裝星后,可能導(dǎo)致衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可恢復(fù)性變形問題,定義頭部裝星后衛(wèi)星載荷艙側(cè)板為封艙狀態(tài)?？紤]AIT過程中電測操作性,采用工藝框作為輔助支撐,經(jīng)監(jiān)測全過程星體結(jié)構(gòu)安裝面沉降不大于0.5mm。圖2為ACDL頭部裝星后衛(wèi)星載荷艙輔助支撐狀態(tài)圖。

圖2 衛(wèi)星載荷艙工藝框輔助支撐狀態(tài)圖Fig.2 Supporting frame for payload module of satellite

通過以上措施,規(guī)避了ACDL頭部裝拆過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險,在工程實踐中取得了較好的效果。借鑒應(yīng)用時需注意以下事項:①鉆模板使用前需檢查檢測鉆模板變形情況,標定其機械基準與測量基準之間的安裝矩陣。②ACDL頭部裝星前完成其上的星敏感器安裝及熱實施,確認精測基準完整、光路可見,確保精測可行性。

3.2 測試試驗階段

1)大功耗集中熱流排散與精密溫控特性

地面測試時,ACDL采用水冷設(shè)備排散激光功率放大器大功耗集中熱流。水冷設(shè)備制冷溫度設(shè)置需與廠房環(huán)境溫濕度匹配,防止水冷板結(jié)露[24]。為提高地面散熱能力,可適當(dāng)降低廠房溫度至18℃。為防止水冷設(shè)備漏水或結(jié)露導(dǎo)致安全隱患,星體套防水保護膜,水冷機組扣透明塑料保護罩。圖3為ACDL水冷散熱現(xiàn)場布置圖。

圖3 ACDL水冷散熱現(xiàn)場布置圖Fig.3 Layout of water chiller for ACDL

入軌工況時由于激光功率放大器散熱面很大而整星能源限制無法全額補償加熱,激光功率放大器會急速降溫至6.5℃。地面熱試驗時通過星上加熱和地面加熱籠補償保證產(chǎn)品試驗安全。圖4為ACDL激光功率放大器入軌初期溫度變化摸底情況。

圖4 激光功率放大器入軌初期溫度變化曲線Fig.4 Simulation and test of temperature curves for laser amplifier on early orbit

2)高功率高頻激光輻射危害特性

為防止ACDL激光輻射損傷其他產(chǎn)品或廠房設(shè)施,出射激光設(shè)置消光裝置。為防止反射雜散光進入敏感儀器視場,ACDL接收望遠鏡遮光罩等扣保護軟罩[25-26]。為防止激光消光產(chǎn)生的雜散光影響周邊儀器性能,采用粘貼含碳聚酰亞胺黑色薄膜對儀器的入光口進行封堵保護。激光能量波長監(jiān)測專項試驗時雜散光較為復(fù)雜,在封閉廠房進行,防止雜散光對其他敏感光學(xué)衛(wèi)星測試性能產(chǎn)生影響。圖5為ACDL激光輻射防護措施。

圖5 激光輻射危害防護措施Fig.5 Safety protective measures of laser radiation

激光雷達開機工作過程中,劃定隔離工位并設(shè)置作業(yè)禁區(qū),激光器出光期間嚴禁進入禁區(qū)內(nèi)進行操作,現(xiàn)場工作人員配置防護眼鏡[27]。圖6為激光作業(yè)禁區(qū)示意圖。

3)發(fā)射望遠鏡擴束鏡污染敏感特性

針對ACDL發(fā)射望遠鏡擴束鏡污染可能導(dǎo)致的鍍膜損傷風(fēng)險,整星構(gòu)型設(shè)計時將對地面(激光出射方向)設(shè)置為衛(wèi)星側(cè)面,同時要求將擴束鏡內(nèi)置在ACDL承力框架內(nèi)部,灰塵等污染物不會直接豎直下沉至鏡面。明確要求廠房潔凈度保持一萬級,不工作時發(fā)射望遠鏡遮光罩上扣防塵罩,長時間存儲時需進包裝箱充氮正壓保護。激光器開機工作前檢查確認擴束鏡灰塵等污染情況,確保符合防污染技術(shù)指標要求。發(fā)射望遠鏡安裝位置如圖7所示。

圖7 發(fā)射望遠鏡安裝位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of layout of transmitting telescope

4)工作溫度及電壓敏感特性

針對ACDL開關(guān)機時序不對可能導(dǎo)致載荷無法正常工作或產(chǎn)品損壞的風(fēng)險,在載荷交付前就驗證開關(guān)機程序,明確加電時序、電壓及溫控等條件;在整星首次開關(guān)機確認程序無誤后,固化指令,防止誤操作。主要加電指令示意如表3所示。

表3 ACDL開機指令Table 3 Startup command chain of ACDL

5)光軸指向穩(wěn)定性監(jiān)測特性

在總裝集成階段確認ACDL光軸(棱鏡轉(zhuǎn)接)與三頭星敏感器可測的基礎(chǔ)上,在力學(xué)、熱試驗前后開展光軸指向測量,角度變化量均在12″以內(nèi),表明ACDL光軸在整星AIT過程穩(wěn)定性良好,可滿足主動段及在軌環(huán)境使用要求。同時將相關(guān)鏈路安裝矩陣置入衛(wèi)星姿態(tài)測量軟件,固化設(shè)置方法避免安裝矩陣修訂時坐標系不匹配等極性設(shè)置問題[28-29]。在發(fā)射場技術(shù)區(qū),對ACDL光軸(Z軸)進行射前復(fù)測,與出廠前變化量為15″,滿足不大于1′要求,重復(fù)性良好。圖8為ACDL與三頭星敏感器測量光路可見性示意圖。

圖8 ACDL與星敏感器測量光路示意圖Fig.8 Measuring optical path of ACDL and star trackers

3.3 射前設(shè)置階段

根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射場技術(shù)流程,以上總裝集成及測試試驗中描述的星體磕碰、地面散熱不匹配、發(fā)射望遠鏡擴束鏡污染、激光輻射危害等風(fēng)險項目均有涉及,按出廠前既定措施管控。其中需重點關(guān)注的是射前激光功率放大器溫度設(shè)置。

基于衛(wèi)星熱仿真及真空熱試驗結(jié)果,考慮發(fā)射日實際天氣情況,為防止激光功率放大器入軌段溫度跌出存儲閾值,射前將塔架小封閉空調(diào)溫度調(diào)至23℃,同時將激光功率放大器溫度加熱至30℃(考慮能源安全,射前10min程控關(guān)閉相關(guān)加熱器)。入軌初期(激光功率放大器加熱器可開啟前)遙測數(shù)據(jù)顯示最低溫度為8℃,在存儲閾值下限5℃以上,表明相關(guān)保障措施有效。圖9為激光功率放大器入軌初期溫度曲線。

圖9 激光功率放大器入軌初期溫度情況Fig.9 Temperature curves for laser amplifier on early orbit

4 結(jié)束語

本文簡要概述了大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星ACDL工作原理及組成,分析了系統(tǒng)典型特點和工作特性,梳理了大體積大質(zhì)量頭部裝星、大功耗集中熱流排散與精密溫控、高功率高頻激光輻射、發(fā)射望遠鏡擴束鏡污染敏感、單機加斷電時序嚴格、光軸指向穩(wěn)定性監(jiān)視等關(guān)鍵使用特性,基于整星AIT全過程識別了安裝面或星體單機磕碰、平臺不可恢復(fù)性變形、激光器溫度過高或溫度下降過快、激光輻射導(dǎo)致人員設(shè)備傷害、激光光束質(zhì)量下降或鏡面鍍膜損傷、ACDL無法工作或器件損傷等風(fēng)險項目,系統(tǒng)論述了總裝集成、測試試驗和射前設(shè)置三大環(huán)節(jié)的風(fēng)險控制措施及驗證情況。大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星ACDL目前在軌工作正常,工程實踐應(yīng)用結(jié)果表明:ACDL整星AIT過程風(fēng)險點識別到位,風(fēng)險控制措施覆蓋全面、有效,基于關(guān)鍵使用特性的風(fēng)險識別與控制方法可以借鑒應(yīng)用于其他星載激光系統(tǒng)。