高精度星敏感器结构设计和分析

【摘要】：CCD星敏感器是航天飞行器姿态控制系统中非常重要的组成部件，它利用对恒星方位的识别，为飞行器提供惯性坐标系下的三轴姿态。国外对它的研究经历了近半个世纪，目前已有多家研究机构成功研制出精度高于1″(3σ)的星敏感器并实现了商业化。我国研制的星敏感器只能达到3″(1σ)的精度水平，因此高精度星敏感器的研制成了我国航天领域有待突破的技术之一。本论文从1″(3σ)高精度要求出发，深入研究了CCD星敏感器误差因素并进行了合理的分配，在此基础上设计了高精度星敏感器的结构形式并进行了有限元分析和像质评价。 本文首先介绍了星敏感器技术的发展过程和发展趋势，深入探讨了国外CCD星敏感器的发展现状。分析了它的组成和工作原理并确定了本文中星敏感器精度的获得方法。 其次，本文叙述了星敏感器的主要技术参数，详细研究了影响CCD星敏感器精度的误差因素和国外几种高精度星敏感器的误差分配方法。对每一种误差都进行了分析，并给出了抑制的方法。最后确定了本文研究的星敏感器误差分配方法，绘制了误差分配树并给出了三种主要误差项的阀值。 再次，在误差分配分析的基础上，参照国外多种高精度星敏感器设计方法，对本论文中星敏感器的设计提出了几点保证高精度的方法。在结构形式上采用了分体结构；结构材料选择了具有可变膨胀系数、轻质的AlSiC；采取了光学定心加工方法。最后给出了高精度星敏感器结构设计结果。 最后，对设计的星敏感器结构进行了有限元分析，包括静力学、动力学和热—应力耦合分析。研究了两种像质评价方法并在静力学分析后验证了变形对像质的影响；动力学分析包含了模态分析、瞬态分析和随机振动分析；热—应力耦合分析研究了在已知温度条件下的结构热应力并对变形后光学系统进行了像质评价。以上的分析结果证明所设计的星敏感器结构满足高精度的要求。