月球探测器方案设计论文

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1月球探测器RM测试要求

1.1RM器测试概述

月球探测器RM测试需要具备被测天线产品、辐射模拟器、测试环境系统以及特定工况下的地面支持设备。被测天线产品是测试系统的主体，采用真实产品或者具备真实产品同等性能的产品；全尺寸的辐射模型星是RM测试的载体，模拟真实航天器的外形尺寸，测试状态达到1∶1的真实环境；月球探测器等复杂系统的测试环境一般在紧缩场，其有效的系统检测手段可验证航天器产品在轨的工作状态和性能，月球探测器的RM测试试验在CCR120/100紧缩场内进行，紧缩场配备了横向滑台的大型DUT转台，不仅具有方位、俯仰、滚动轴功能，而且被测天线产品在静区中的位置可以通过滑台的横向移动实现，采用方向图比较法等先进测量方法可以改善测试精度。地面支持设备是辅助RM测试必需的保障条件，不仅实现辐射模型星的吊装、翻转、转运，同时针对嫦娥三号特殊工况的试验，还要有特定的转接法兰满足天线不同测试方向的要求。

1.2RM测试位姿要求

月球探测器的测控天线产品具有几何结构复杂、性能要求高、天线种类多、天线布局分散等特点。RM测试试验不仅工况苛刻，而且试验工况多，其中仅X频段天线和S频段天线试验就需要16个方向的测试，其它频段测控天线的试验不再赘述。X频段测控天线共4台，其中2台安装在辐射模拟器的+X面，在XOZ平面内与+X轴和-Z轴成45°夹角，另外2台安装在辐射模拟器的-X面，在XOZ平面内与-X轴和+Z轴成45°夹角。4台X频段测控天线装配位置有较大差别，需要测试8个剖面的方向图，每个天线测试均需保证天线的机械轴为水平方向。S频段天线共2台，S频段天线A和S频段天线B，分别安装在辐射模拟器的+X面和-X面上，沿辐射模拟器X轴安装。S频段测控天线为收发共用天线，需要对S频段测控天线的发射和接收方向图分别进行测试，需要测试8个剖面的方向图。月球探测器在紧缩场测试中的X频段和S频段天线要求实现16个方向的测试，RM测试的实现具有以下几项难点：a.RM测试方案优化：RM器测试工况多达到16种，若不进行测试方案优化，每次试验均需要进行一次地面支持设备的状态设置。测试状态设置需要求在DUT转台顶部近10m高位置进行群体性高空作业，具有较大的操作风险，并且每次状态设置近1天时间，无法满足紧张的航天器研制计划。因此，需要测试方案和地面支持设备设计协同设计，优化RM测试方案，减少地面支持设备的调整，降低高空操作的风险，且保障研制和测试进度。b.复杂辐射模拟器的设计：RM结构复杂且接口较多，为了保证天线的测试准确性，需严格校核辐射模拟器的强度，若强度无法满足要求，会使试验结果产生较大的偏差甚至导致试验失败。c.RM器的翻转功能：RM测试的各个工况，天线的朝向不同，RM测试姿态也不同，因此设计一套翻转吊具实现RM的翻转。翻转吊具的设计确保翻转过程中的稳定性，同时需避免与嫦娥三号的着陆缓冲机构、测控天线等突出设备干涉。

2RM测试方案及工装总体方案设计

2.1测试方案与工装协同设计

一般地面支持设备直接依据设计方提出的设计方案进行详细设计，较少考虑工程试验中工装的使用工况分析。航天产品由于组成复杂、技术难度复杂、制造过程复杂及项目管理复杂的特点，早已提出了由不同领域设计者相互协作、共同完成设计任务的分布式协同设计过程。月面探测器紧缩场RM测试方案复杂，且直接主导地面支持设备的设计和配套，需将测试方案与地面支持设备的设计协同设计，并可反复进行。测试方案设计阶段，通过虚拟现实技术、企业级网络平台、视频会议方式，工艺人员和工装设计人员可融入到产品测试方案设计中，从工艺角度上试验的可实施性以及地面支持设备的设计可行性进行反馈，对测试方案进行交互式修订，并可并行开展地面支持设备的设计，如此往复设计，可将测试方案的工艺性提高到最优的程度，并提高设计效率。

2.2X频段天线测试工装设计方案

X频段天线有两种测试状态，分别是对+X面天线测试状态和-X面天线测试状态，每个测试状态需完成4个方向的测试，每个天线4个方向的测试可通过设计X面转接法兰以及DUT转台的翻转功能来实现。

2.4辅助地面支持设备

各种天线在试验过程中，需要用吊具翻转和水平吊装卫星以调整姿态与各试验设备的测试支架安装对接。整个试验除了转接测试支架外，通过两套翻转吊具、一套水平吊具、一套过渡停放支架实现RM器整个测试过程中的姿态调整。a.垂直架车和水平架车是辐射器吊装过程中用于调姿及换装吊具的过渡支架。b.组装两套单梁两吊点的翻转吊具，将两套单梁两吊点的翻转吊具依次与两套吊车及卫星吊点进行连接，两套吊车分别独立控制相应吊具的升降距离，通过升降距离（调整吊车绳长）以实现异形卫星90°的翻转，然后将其吊装到用于临时支撑异形卫星的过渡支架上。c.组装单梁四吊点的水平吊具，将该吊具依次与单套吊车及卫星吊点连接后，拆除卫星与上述过渡支架的紧固件，起吊卫星至与45°、22.5°和0°的测试支架相匹配的对接面处，连接紧固件，拆除吊具以进行异形卫星天线性能测试。

3RM测试工装详细设计

3.1模拟辐射器设计

辐射模拟器由中心舱模拟件，+X面对接环、-X面对接环、发动机模拟件四部分组成，如图4所示。中心舱模拟件用于为产品设备仪器提供支撑接口；+X面对接环安装在中心舱模拟件顶面，在进行X频段接收天线B、X频段发射天线B测试时，用于与停放支架、测试支架连接；-X面对接环安装在中心舱模拟件底面，用于与停放支架、测试支架连接，用螺钉连接在中心舱模拟件上；发动机模拟件用于模拟7500N发动机外形。

3.2X频段天线测试支架设计

X频段测试支架是连接辐射模拟器和DUT转台的过渡支架。支架与模拟中心舱对接关系如图7所示，支架为钢板焊接结构件，外形尺寸为1230mm×1230mm×1580mm，材料为Q235，支架侧壁上开有减重槽，重约289kg；两个连接面之间为45°夹角，对测试支架进行吊装时，可以充分利用对接面上现有的孔连接吊环螺钉实现吊装，为了保证测试支架在起吊过程中不发生歪斜，且方便与DUT转台对接，设计4个吊带长度不同，通过吊带上连接的花蓝螺丝调节。

3.3S频段天线测试支架设计

S频段测试支架是连接模拟中心舱和DUT转台的过渡支架，通过分别与模拟中心舱4个斜侧面中的2个侧面对接，实现对8个剖面的方向图测试，支架为钢板焊接结构件，外形尺寸为1260mm×1260mm×807mm，连接面之间的夹角为22.5°，重为205kg，对测试支架进行吊装时，可以充分利用对接面上现有的孔连接吊环螺钉实现吊装。同样采用SolidWorks的Cosmos工具箱对支架进行LinearStaticAnalysis。支架的材料选用1023碳钢板，材料屈服极限为280MPa，将底面与DUT转台连接孔固定约束，运用远程载荷，在距上端面1700mm距离的点上施加8000N，应力和变形均满足设计要求。

3.4辅助地面支持设备设计

为配合天线测试达到要求，需设计专用吊具，包括翻转吊具及水平吊具。X频段天线A测试时，利用中心舱吊具水平起吊着陆器与测试支架对接；X频段天线B测试时，利用翻转吊具将着陆器在空中翻转180°后与测试支架对接；S频段天线测试过程中，利用翻转吊具将着陆器翻转90°后，停放在过渡停放支架上，换装水平吊具起吊与测试支架对接。设计的翻转吊具由2套独立的吊具组成，每套吊具均由吊环、斜吊带、吊梁、垂直吊带、卸扣、吊轴组成。每个吊具有2个吊点，分别与模拟中心舱相对2个斜侧面的吊点连接。在使用时，2套吊具分别与厂房内吊车及模拟中心舱吊点连接后，通过控制连接2个吊具的吊车的升降距离（吊车绳长）实现90°、180°翻转功能。同样采用SolidWorks的Cosmos软件对吊轴进行LinearStaticAnalysis。吊轴与中心舱模拟件连接孔固定约束，在与吊带连接处施加65000N，最大VonMesis应力为112.8MPa，安全系数为5.49，最大变形为0.67mm，满足使用要求。

4紧缩场测试的实现

按照嫦娥三号月球探测器测控天线RM测试调姿方案，通过应用研制的辐射模拟器、+X面对接环、-X面对接环、X频段天线转接支架（45°测试支架）、S频段天线转接支架（22.5°测试支架）、翻转吊具、水平吊具、垂直架车及水平架车等地面支持设备，顺利开展了X频段测控天线和S频段测控天线安装在RM器后的辐射性能测试，验证了X频段测控天线和S频段测控天线的性能指标。

5结束语

针对嫦娥三号月球探测器测控天线紧缩场辐射模拟器的复杂姿态测试需求，基于协同设计理念，有效地分解了辐射模拟器测控天线复杂的测试姿态要求，优化了测试方案，使复杂的试验工装“化难为简”，通过对吊具和不同形式测试支架的排列组合，简单有效地实现了RM器试验状态设置，提高了紧缩场RM测试的设计效率以及装配工艺性，顺利完成了嫦娥三号月球探测器各类天线在紧缩场内的RM测试。