一种卫星波导开关抗弯矩能力的地面试验验证方法与流程

1.本发明涉及一种卫星波导开关抗弯矩能力的地面试验验证方法，属于卫星波导试验设计领域。


背景技术：

2.波导开关是卫星有效载荷的关键组件，主要用于卫星转发器分系统中放大器的环备份，以提高卫星的可靠性。波导开关在目前的高通量通信卫星中大量使用，单星用量可达到上百只。
3.典型的波导开关由驱动电机头部与射频壳体两部分组成，其工作原理为：驱动电机接收到指令信号后，提供转动力矩，带动电机转子与射频转轴朝目标状态转动，到达后由位置锁止磁铁提供锁止力矩，使开关保持在工作状态并完成射频通道切换。为保证波导开关良好的射频性能，射频壳体内腔与转子之间的间隙需要控制在数十微米量级。另一方面，迫于航天器控制重量的压力，波导开关的小型化、轻量化设计持续推进。因波导布局复杂、开关联接形式多样、力热耦合作用、总装工艺偏差等多方面因素，波导开关在星上实际使用中存在因射频壳体受弯矩变形过大而出现开关转动卡滞的潜在风险。一旦在轨出现卡滞问题，将不能实现转发器通路的正确切换，会造成卫星功能性能下降，不能满足使用要求。
4.为评估波导开关上星应用后的转动卡滞风险，应结合波导开关和波导布局，综合考虑总装过程中可能存在的工艺偏差、卫星力学试验、热试验中力、热载荷影响，合理设计波导开关的地面试验验证技术状态，并通过合理制定力、热试验来验证波导开关的抗弯矩能力。目前国内外尚无见到能综合考虑上述相关因素的试验验证方法。
5.目前的波导开关抗弯矩能力主要通过开关抗弯矩试验进行。试验方法为将单只波导开关与一支80～100mm长的波导连接，然后在波导悬臂端通过弹簧测力计或砝码施加不同方向、不同大小的集中作用力(力与波导长度的乘积为波导开关在该方向承受的弯矩)，最后利用地检设备使波导开关转动，测出波导开关正常转动可承受的最大弯矩。现有方法只能测出波导开关本身的抗弯矩能力，具有如下缺点：(1)该方法未考虑开关与波导布局产生的弯矩影响，不能说明其测得的抗弯矩能力是否能满足星上布局要求；(2)该方法未考虑总装过程中工艺偏差引入的弯矩，不能说明其测得的抗弯矩能力是否能满足总装工艺偏差的控制要求；(3)该方法未考虑多联开关共同使用时抗弯矩能力的变化，不能说明其测得的抗弯矩能力是否能满足多联开关上星使用的要求；(4)该方法未考虑发射力学环境和在轨热环境的力、热载荷影响，不能说明其测得的抗弯矩能力是否能满足发射和在轨的力、热环境使用要求。
6.综上所述，现有方法未综合考虑布局、工艺偏差、多联使用、力热环境等各种因素产生的弯矩，不能用于评估波导开关上星应用后是否存在转动卡滞风险。


技术实现要素：

7.本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统试验方法不能用于评估波
导开关上星应用后是否存在转动卡滞风险的问题，提出了一种卫星波导开关抗弯矩能力的地面试验验证方法。
8.本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
9.一种卫星波导开关抗弯矩能力的地面试验验证方法，步骤如下：
10.(1)根据波导开关结构、星上波导开关布局，设计波导开关及波导组合试验件的走向布局情况；
11.(2)根据波导开关上星后于整星总装过程中受到的应力来源，对波导开关端口于各种应力来源影响下的变形情况进行静力分析，获取各波导开关的等效预置偏差及距法兰口指定距离处的应变水平；
12.(3)确定待试验件的试验项目、试验条件、试验成功判据，试验项目包括力学试验、热学试验；
13.(4)根据各波导开关的等效预置偏差及待试验件的试验条件进行试验前分析预示，确认各波导开关能通过各试验项目，若不能通过，则对未通过的波导开关的抗弯矩能力进行改进；若各波导开关均能通过各试验项目，则通过各试验项目的分析预示结果分别获取待试验件的波导最大响应位置及温度测点的粘贴位置；
14.(5)根据待试验件的波导最大响应位置确定加速度传感器的粘贴位置，进行波导开关及待试验件的加工、生产、组装，根据步骤(2)、步骤(4)所得数据，于各波导口施加给定大小和方向的预置偏差，根据预置偏差塞入垫片；
15.(6)对待试验件开展力学试验，在待试验件上粘贴加速度传感器，在安装底板上粘贴控制传感器，将待试验件安装于振动台上，分别进行待试验件的各试验项目；
16.(7)对待试验件开展热学试验，将待试验件安装于温箱中，粘贴温度传感器，并启动温箱，进行热学试验，于各循环的高温段、低温段进行开关转动测试；
17.(8)收集步骤(6)、步骤(7)所得数据进行整理记录，完成卫星波导的地面试验验证。
18.所述步骤(1)中，波导开关及波导组合试验件的走向布局情况具体包括：
19.确定波导开关、波导、波导支架、支撑柱的个数及走向布局，确定殷钢底板厚度，确定各波导口所需预置偏差。
20.所述步骤(2)中，所述应力来源包括总装过程中波导开关的端口不对中度、端口不平行度、卫星舱板重力变形情况，距法兰口指定距离范围为5mm至20mm。
21.所述步骤(3)中，所述试验项目包括正弦振动试验、随机振动试验、热循环试验；
22.力学试验包括：正弦振动试验、随机振动试验，试验条件为：
23.覆盖卫星系统级力学试验所得舱板最大响应；
24.热学试验包括：热循环试验，试验条件为：
25.覆盖卫星系统级热真空试验的舱板最大温差；
26.所述试验成功判据为：
27.波导开关在正弦振动试验、随机振动试验、热循环试验后仍能正常转动。
28.所述步骤(4)、步骤(5)中，根据正弦振动试验、随机振动试验，计算待试验件波导的最大响应位置，根据计算结果确定加速度传感器的粘贴位置，根据热循环试验的热变形分析，确定热循环试验中温度测点的粘贴位置。
29.所述步骤(5)中，预置偏差施加前，于各波导上距法兰口指定位置粘贴两个单向动态应变片，根据应变读数调整波导安装操作，使单向动态应变片不受弯矩影响，塞入垫片后，记录单向动态应变片的应变变化并与步骤(2)的应变水平进行对比，以确认施加的预置偏差无误。
30.所述步骤(6)中，所述加速度传感器根据加速度传感器的粘贴位置进行粘贴，待试验件安装于振动台后，依次完成三个正交方向的正弦振动试验、随机振动试验。
31.在各正交方向的正弦振动试验、随机振动试验前后，进行开关转动测试及特征级曲线扫描，并于所有试验完成后拆除加速度传感器、单向动态应变片。
32.本发明与现有技术相比的优点在于：
33.(1)本发明提供的一种卫星波导开关抗弯矩能力的地面试验验证方法，在设计波导开关及其波导组件试验验证件的技术状态过程中，考虑了开关与波导布局产生的弯矩影响，通过试验的波导开关可以证明其抗弯矩能力能够满足星上布局要求，同时在设计波导开关及其波导组件试验验证件的技术状态过程中，考虑了总装过程中工艺偏差引入的弯矩影响，通过试验的波导开关可以证明其抗弯矩能力能够满足总装工艺偏差的控制要求；
34.(2)本发明采用在设计波导开关及其波导组件试验验证件的技术状态过程中考虑多联开关共同使用时抗弯矩能力的变化的方式，且试验时按最恶劣方向加载；通过试验的波导开关可以证明其抗弯矩能力能够满足多联开关上星使用的要求，并在波导开关及其波导组件试验验证件的试验条件中，加入对可以覆盖发射段力学环境和在轨热环境的力、热载荷影响的考证，通过试验的波导开关可以证明其抗弯矩能力能够满足发射和在轨的力、热环境使用要求。
附图说明
35.图1为发明提供的地面试验验证方法流程图；
36.图2为发明提供的波导开关及波导组合试验件技术状态及预置偏差方向的示意图；
37.图3为发明提供的波导开关与波导法兰面“不对中度d”的示意图；
38.图4为发明提供的波导开关与波导法兰面“不平行度p”的示意图；
39.图5为发明提供的总装阶段卫星舱板受重力变形对波导开关的影响示意图；
40.图6为发明提供的三联波导开关最恶劣的受力方向示意图；
41.图7为发明提供的试验件加速度测点位置的示意图；
42.图8为发明提供的试验件温度测点位置的示意图；
43.图9为发明提供的力学试验流程图；
具体实施方式
44.一种卫星波导开关抗弯矩能力的地面试验验证方法，解决现有方法未综合考虑布局、工艺偏差、多联使用、力热环境等各种因素产生的弯矩，不能用于评估波导开关上星应用后是否存在转动卡滞风险的问题，具体方法步骤如下：
45.(1)根据波导开关结构、星上波导开关布局，设计波导开关及波导组合试验件的走向布局情况；
46.(2)根据波导开关上星后于整星总装过程中受到的应力来源，对波导开关端口于各种应力来源影响下的变形情况进行静力分析，获取各波导开关的等效预置偏差及距法兰口指定距离处的应变水平；
47.(3)确定待试验件的试验项目、试验条件、试验成功判据，试验项目包括力学试验、热学试验；
48.(4)根据各波导开关的等效预置偏差及待试验件的试验条件进行试验前分析预示，确认各波导开关能通过各试验项目，若不能通过，则对未通过的波导开关的抗弯矩能力进行改进；若各波导开关均能通过各试验项目，则通过各试验项目的分析预示结果分别获取待试验件的波导最大响应位置及温度测点的粘贴位置；
49.(5)根据待试验件的波导最大响应位置确定加速度传感器的粘贴位置，进行波导开关及待试验件的加工、生产、组装，根据步骤(2)、步骤(4)所得数据，于各波导口施加给定大小和方向的预置偏差，根据预置偏差塞入垫片；
50.(6)对待试验件开展力学试验，在待试验件上粘贴加速度传感器，在安装底板上粘贴控制传感器，将待试验件安装于振动台上，分别进行待试验件的各试验项目；
51.(7)对待试验件开展热学试验，将待试验件安装于温箱中，粘贴温度传感器，并启动温箱，进行热学试验，于各循环的高温段、低温段进行开关转动测试；
52.(8)收集步骤(6)、步骤(7)所得数据进行整理记录，完成卫星波导的地面试验验证；
53.其中，步骤(1)中，波导开关及波导组合试验件的走向布局情况具体包括：
54.确定波导开关、波导、波导支架、支撑柱的个数及走向布局，确定殷钢底板厚度，确定各波导口所需预置偏差；
55.步骤(2)中，所述应力来源包括总装过程中波导开关的端口不对中度、端口不平行度、卫星舱板重力变形情况，距法兰口指定距离范围为5至20mm；
56.步骤(3)中，所述试验项目包括正弦振动试验、随机振动试验、热循环试验；
57.力学试验包括：正弦振动试验、随机振动试验，试验条件为：
58.覆盖卫星系统级力学试验所得舱板最大响应；
59.热学试验包括：热循环试验，试验条件为：
60.覆盖卫星系统级热真空试验的舱板最大温差；
61.所述试验成功判据为：
62.波导开关在正弦振动试验、随机振动试验、热循环试验后仍能正常转动；
63.步骤(4)、步骤(5)中，根据正弦振动试验、随机振动试验，计算待试验件波导的最大响应位置，根据计算结果确定加速度传感器的粘贴位置，根据热循环试验的热变形分析，确定热循环试验中温度测点的粘贴位置；
64.步骤(5)中，预置偏差施加前，于各波导上距法兰口指定距离粘贴两个单向动态应变片，根据应变读数调整波导安装操作，使单向动态应变片不受弯矩影响，塞入垫片后，记录单向动态应变片的应变变化并与步骤(2)的应变水平进行对比，以确认施加的预置偏差无误；
65.步骤(6)中，所述加速度传感器根据加速度传感器的粘贴位置进行粘贴，待试验件安装于振动台后，依次完成三个正交方向的正弦振动试验、随机振动试验；
66.在各正交方向的正弦振动试验、随机振动试验前后，进行开关转动测试及特征级曲线扫描，并于所有试验完成后拆除加速度传感器、单向动态应变片。
67.下面结合具体实施例进行进一步说明：
68.在当前实施例中，卫星波导开关抗弯矩能力的地面试验验证方法，流程如图1所示，包括如下步骤：
69.步骤一、根据波导开关的结构设计结果，以及星上波导开关的布局方法，设计波导开关及波导组合试验件的走向布局状态，典型状态如图2所示，其中：
70.确定波导开关个数；如图2所示，选择了3只开关组成一组三联开关；原因是三联开关能代表星上最普遍的情况——如使用单个开关，则不能考虑多联开关的情况，且开关用的较少；如使用双联开关，则未考虑中间开关的情况；如使用四联开关，则开关用的较多，且星上四联以上开关情况稍少；故三联开关最佳；
71.确定波导的走向和布局；三联开关可连接8只波导，波导一头连在开关口上，另一头连在支撑柱上，用支撑柱模拟星上接入波导的电子设备；波导走向布局原则包括：a)包括星上最短和较短的波导，如图2中的wg01、wg06和wg08，波导长度约100～240mm；b)波导支架的设置可以覆盖星上的典型工况，如图2中的wg03、wg04，都没有安装波导支架，但均含一个转弯，波导长度分别为约120mm和160mm；图2中的wg02、wg05、wg07，均含有一根波导支架，开关口距离波导支架的跨度分别约80mm、360mm、600mm；
72.确定殷钢底板面积尺寸和厚度；图2中，试验件殷钢底板的尺寸约为900mm
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600mm，厚度约为8mm；底板材料选用殷钢，是因为殷钢的热膨胀系数较小，可近似认为与卫星的碳纤维蒙皮复合材料面板相当；底板厚度的确定方法是通过有限元仿真分析，使其垂直面板的抗弯刚度与卫星的复合材料舱板的抗弯刚度相当；
73.根据振动台表面的安装孔位布局，设计确定殷钢底板与振动台面的安装孔位置和大小；
74.步骤二、梳理波导开关上星后在整星总装过程受到的应力来源(如总装过程中波导开关的端口不对中度、端口不平行度、卫星舱板重力变形等)，对波导开关端口在这各种应力影响下的变形情况进行静力分析，得到各波导开关口的等效预置偏差(以端口不对中度和端口不平衡度衡量)和距波导法兰口10mm处的应变水平，其中：
75.梳理波导开关上星后在整星总装过程受到的应力来源，下面对星上主要的应力来源进行描述：(a)不对中度，波导开关端口的不对中度指波导法兰与波导开关口连接前，波导法兰相对于开关口存在水平错位量，如图3所示，该水平错位量可用塞尺测得；此时，当把波导法兰与波导开关口用螺钉连接后，连接前存在的水平错位量将使波导开关受弯矩作用发生径向变形；(b)不平行度，不平行度是指波导法兰面与开关口安装平面不平行产生的间隙量，如图4所示，同样，不平行度也会使开关与波导连接后受力发生径向变形；(c)重力变形，重力变形对开关的影响原理示意图如图5所示，大部分波导开关和波导布置在垂直于y轴的卫星南板和北板上，在卫星波导总装阶段，卫星通过卫星支架在根部固支，横卧在两轴转台上， x轴向上或向下，呈悬臂梁状态，卫星舱板会发生微小变形，最大量级为mm级；此时波导开关已安装，波导在此状态下与开关连接不会因重力影响产生变形；但是，当卫星绕z轴翻转180度时，波导将随舱板发生变形，进而对波导开关口施加弯矩，使开关产生径向变形；其他应力来源，也可按本方法进行梳理和计算，不再赘述；
76.根据试验件的波导长度和布局走向，梳理试验件每支波导wg0i(对于图2，i＝1～8)在星上总装时控制的不对中度偏差和不平行度偏差波导越短，不对中度和不平行度对波导开关口产生的弯矩影响越大，需要控制的不对中度偏差和不平行度偏差也就越小；和的具体数值本文不再列出，均小于0.5mm；
77.通过有限元商业软件如ansys建立试验件状态的有限元模型，仿真分析出每支波导wg0i在总装不对中度偏差和不平行度偏差下，对与其连接的波导开关分别产生的径向变形d(i)和p(i)，单位为μm；此外，计算出每支波导wg0i在受到舱板重力变形作用下，对与其连接的波导开关产生的径向变形g(i)；d(i) p(i) g(i)不应超过波导开关许用的最大径向变形量，否则说明波导开关的抗弯矩能力不足；
78.利用下式，将每支波导wg0i在试验时的预置偏差统一折算到不对中度或不平行度以方便试验实施：
[0079][0080][0081]
利用建立的有限元模型，计算波导wg0i的不对中度或不平行度预置偏差在不同施加方向下，产生的最恶劣组合，并计算各波导wg0i上距离法兰口约10mm处的应变水平和其中正号表示受拉，负号表示受压；和也将是后续应变片粘贴位置；
[0082]
步骤三、确定试验件的试验项目、试验条件和试验成功判据；试验项目一般为正弦振动试验、随机振动试验、热循环试验；正弦振动和随机振动试验条件应覆盖卫星系统级力学试验的舱板最大响应；热循环试验条件应覆盖卫星系统级热真空试验的舱板最大温差；波导开关在经历力学试验前后，以及热循环高、低温期间仍能正常转动是最主要的试验成功判据；对于图2所示的试验件，正弦振动试验条件为15g(5～100hz)每轴向，扫频速率为2倍频程/分钟；随机振动试验条件的总均方根约为10～15g(20～2000hz)每轴向，试验时间为2分钟/轴向；热循环试验条件为-5～60℃，循环次数为8.5次；其中，热循环试验条件的确定过程考虑了波导开关在如下两种复合材料舱板上安装的情形：
[0083]
情形一，波导开关安装在碳纤维蒙皮 铝蜂窝的舱板上，且波导开关均为微波输入通路段的开关：对于输入段波导开关，其在轨温度与卫星舱板温度基本一致；而波导开关底面是铝合金，卫星碳纤维舱板的热膨胀系数远小于铝合金，故波导开关在轨受到的热应力主要来源于高、低温与初始总装温度的偏差，记为δt1；试验件殷钢底板的热膨胀系数很小，可以模拟卫星碳纤维舱板；此时，只要试验件热循环试验的温度范围能够覆盖波导开关在整星热分析中最恶劣的温度范围并具有一定余量，即可保证地面试验验证充分；对于-5～60℃的热循环试验条件和25℃的初始总装温度，可以验证δt＝
±
35℃的温度偏差；
[0084]
情形二，波导开关安装在铝蒙皮 铝蜂窝的舱板上，且开关既应用在微波输入通路段，又应用在微波输出通路段：对于此情形，由于波导开关和卫星舱板都是铝合金材料，二
者热膨胀系数一致，因此波导开关在轨受到的主要热应力主要来源于输出段波导开关与卫星舱板之间的温差δt2——此温差在试验件中，可以等效转换为情形一，即情形一中验证到的δt＝
±
35℃温度偏差可以覆盖δt2并具有一定余量，即可保证地面试验验证充分；
[0085]
步骤四、根据预置偏差和试验条件，采用商业有限元软件如ansys进行试验前的分析预示，确认波导开关在预置偏差和力学试验条件、热循环试验条件下的最大径向变形小于许用值，能够通过力学试验和热循环试验考核，否则，需对开关的抗弯矩能力进行改进设计；其中，应通过正弦振动和随机振动分析，计算试验件波导最大响应位置，以确定力学中加速度传感器的粘贴位置，如图7所示，通过热变形分析，确定热循环试验中温度测点的粘贴位置，如图8所示；
[0086]
步骤五、进行波导开关及波导组合试验件的加工、生产和组装，并按照步骤二和步骤四的结果，通过塞垫片的方式，在各波导口施加给定大小和方向的预置偏差；在预置偏差施加前，应按照步骤四确定的应变片粘贴位置，在每个波导口10mm附近粘贴两个单向动态应变片，先调整安装操作，根据应变读数使其不受弯矩；然后塞入给定厚度的垫片，记录各波导wg0i实际的应变值和使得实际差值与理论分析值的偏差尽可能小，以确保施加的预置偏差正确无误；
[0087]
步骤六、对试验件开展正弦振动、随机振动力学试验；流程如下：首先按照步骤四的结果，在试验件上粘贴加速度传感器，在安装底板上粘贴控制传感器；然后把试验件安装在振动台上，依次完成三个正交方向的正弦、随机振动试验；其中，在每个方向的大量级正弦、随机振动试验前后，还要开展开关转动测试和特征级曲线扫描；试验完成后，拆除加速度传感器和应变片；典型流程如图9所示；其中，在力学试验过程中可以视情况对正弦振动、随机振动试验条件进行主动下凹处理，正弦振动试验条件的下凹原则是波导的最大响应覆盖整星正弦振动试验的最大响应；随机振动试验条件的下凹原则是波导的最大响应的最大响应覆盖整星噪声试验的最大响应，同时下凹后的随机振动试验条件覆盖整星噪声试验舱板的最大响应；
[0088]
步骤七、对试验件开展热循环试验；流程如下：首先把试验件安装在温箱中，根据步骤四的结果，在试验件上粘贴温度传感器；然后启动温箱，开展热循环试验；在每个循环的高温段、低温段进行开关转动测试。
[0089]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0090]
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。