电磁卫星高能粒子探测器高能段载荷结构与模态分析

伍红平， 刘雷，王辉， 安正华，李新乔

(1. 南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016； 2. 中国科学院高能物理研究所 粒子天体物理中心，北京 100049)

0 引言

地震电磁监测试验卫星[1]是为探索地震前兆信息及空间环境监测预报而建立的试验平台，主要监测全球空间电磁场、电磁波、电离层等离子、高能粒子等物理量，能从空间观测地震孕育相关信息，具有观测范围广、观测量多等地面观测技术所不具备的优势。研究表明[2]，由地震引发的空间高能带电粒子爆发在大地震的主震前，这种短暂爆发现象对地震前兆研究及地震预警有重要意义，吸引了很多研究者注意。高能粒子探测器高能段载荷[3]是电磁监测试验卫星的有效载荷之一，设计使用晶体量能器方法测量低轨道空间高能带电粒子的能量和通量。高能带电粒子探测器的研制对于地震前兆研究以及空间其他未知领域的探索等都具有重要意义。

本文以高能粒子探测器高能段载荷的机械结构为对象，根据高能粒子探测器工作原理及设计要求，完成了高能粒子探测器高能段载荷的整体结构设计；通过ABAQUS软件完成结构的模态分析，并对结构进行了模态试验。高能粒子探测器高能段载荷的结构设计及模态分析为其结构改进及力学性能分析提供了基础，同时对相关电子设备机械结构的设计具有一定的参考意义。

1 高能粒子探测器高能段载荷的工作原理及结构

1.1 高能粒子探测器高能段载荷工作原理

高能粒子探测器高能段载荷的探测目标是实现对空间高能带电粒子的通量、能谱和入射角度的测量。探测器的主要设计指标：探测粒子的能量范围为电子2～50MeV和质子15～200MeV；有效探测面积100 cm2；视场范围为68°×68°；角度分辨率为5°。根据探测目标将探测器的探测任务可以分解为以下3个部分：

第1部分是角度测量，主要是通过位置灵敏硅条探测器实现的。硅条探测器配以电子学系统可测得入射粒子事例在硅条探测器中的能损信息ΔE和位置信息。两块双层位置灵敏硅条探测器相距一定的距离z0，分别测得入射粒子在两块硅条探测器上的入射位置坐标(x1，y1，z0)和(x2，y2，0)，便可重建入射径迹，得到粒子入射方向的天顶角θ和方位角φ：

(1)

第2部分探测任务是能量测量，主要通过晶体量能器实现的。高能电子和质子在晶体中沉积能量后，晶体发出闪烁光，通过光电倍增管将闪烁光转化为电信号并放大。通过电子学读出系统读出并处理这一电信号，便可以测得粒子在晶体上的剩余能量E。加上粒子通过硅条探测器上的能量损失ΔE便可得到粒子总能量。

第3部分任务是粒子鉴别，通过测量粒子在硅条探测器时的能量损失ΔE和在量能器的能量剩余E，利用ΔE×E这个与粒子能量无关而与粒子种类有关的量，从而鉴别粒子种类。

此外探测器需设计有反符合探测器，用以剔除透过金属外框，而不是从视场范围进入量能器的高能粒子事例以及由视场进入但穿过了量能器的超高能事例。综上所述，高能粒子探测器高能段载荷的结构简图如图1所示。它主要由硅条探测器系统、量能器系统、反符合探测器、准直器、金属外框构成，再配以电子学系统达到预期功能目标。

图1 高能粒子探测器高能段载荷结构简图

1.2 高能粒子探测器高能段载荷机械结构

高能粒子探测器高能段载荷的结构在满足其预期功能前提下，还应满足其刚度、强度、电磁兼容、加工工艺性等要求，同时要做到设备质量轻、结构紧凑、结构模块化等[4]。在高能粒子探测器高能段载荷中，硅条探测器组件及量能器组件是其实现主要功能的部件。根据探测器的探测面积要求确定硅条探测器的型号以及量能器探测面的大小，根据探测的能量范围及能量分辨率确定晶体的厚度及数量，根据探测角度范围及角度分辨率确定硅条探测器与量能器之间的位置关系。以上尺寸及相关元器件的尺寸由探测器设计工程师给出。

探测器的量能器中由1块塑料闪烁体和4块碘化铯晶体组成。由于碘化铯晶体密度大、质量重，需要适当的支撑结构。另外根据电子学需要，共需设计6块电路板，初步设计1块电路板分布在探测器前板上，2块分布在探测器的两侧壁，另外3块通过模块化设计布置在探测器后端。综合考虑上述因素，探测器选择的是支架式为主、模块化为辅的综合性构型。

探测器结构所用材料除特殊说明外，均为航天铝合金2A12-H112。在Inventor[5]装配环境中，采用“自顶向下”设计原则，依次建立硅条探测器组件和量能器组件的初步结构模型，并按要求的位置关系对其进行放置。为5块量能器设计支架，并设计5块反符合探测器依附在支架上除观测方向之外5个面。初步设计探测器除观测方向反方向之外的5个面的金属外框，其中硅条探测器固定在前板上，量能器组件固定在顶板和底板上。为屏蔽探测能量范围之外的带电粒子，探测器的外框需具备一定的屏蔽功能，因此金属外框的壁厚为5 mm，没有反符合探测器的前板为9 mm，所有金属外框均设计有加强筋。然后在前板上设计准直器及窗，并在探测器后端设计2块可固定电路板的金属框及可固定电路板的后板。

完成以上初步设计后，通过反复交叉设计各零部件，对零部件进行协调设计并实时进行设计变更，完成各零部件的细节设计。其中为保证硅条探测器的测量精度及可靠度，硅条探测器的工作温度应维持在-20℃±2℃。为此设计有伸出外框的等温板及控温回路与卫星连接，等温板材料为紫铜，等温板与外框间设计有隔热套。设计完成后，探测器整体结构的尺寸约为374mm×320mm×216mm。然后完成各零部件间的连接设计，一般情况下，各零部件间均采用钛螺钉连接，其中金属外框间设计有止口以保证其电磁屏蔽性。

最终完成探测器结构爆炸图如图2所示。

图2 高能粒子探测器高能段载荷整体结构爆炸图

2 高能粒子探测器高能段载荷结构模态分析及模态试验

对高能粒子探测器高能段载荷结构进行模态分析是产品研制过程中的一个重要步骤，模态分析检验了结构的动态特性。根据模态分析结果及时发现结构初期设计的不足，以便于尽早优化更改以使得探测器的结构更优。

2.1 探测器有限元建模

为了提高模态分析的运算速度，在满足计算精度的前提下，在进行有限元建模时作如下简化和假设：1)忽略对动态性能影响较小的小尺寸结构；2)将螺栓连接简化为绑定连接，忽略螺栓连接处的通孔及螺纹孔；3)忽略倒角及过渡圆角，仅保留对动态性能影响较大的重要内圆角。

按上所述在Inventor软件中对结构的三维模型进行简化，然后导出为parasolid文本文件(*.x_t)，再通过ABAQUS软件[6]导入装配体(Import→Assembly)。在ABAQUS软件中依次赋予材料属性、划分网格(单元类型为C3D8R)、设定位移边界条件。探测器所用材料性能如表1所示，最终得到的有限元模型如图3所示。

表1 探测器所用材料性能

图3 探测器结构有限元模型

2.2 探测器结构模态分析

利用有限元软件进行模态分析的实质是求解有限个自由度无外载荷状态下运动方程的模态矢量。考虑到结构阻尼对其模态频率及模态振型影响很小，忽略了结构阻尼。ABAQUS提供多种模态解析方法[7]，常用的有子空间迭代法(subspace)和兰索斯法(Lanczos)。本文采用的是Lanczos法进行求解，Lanczos算法是一种非常高效的算法，尤其是只求解前几阶模态频率时。求解得到探测器前4阶固有频率及其振型云图如图4所示。

图4 探测器结构模态分析结果

高能粒子探测器高能段载荷机械结构的一阶振型为顶面的一次弯曲，其模态频率为416.48 Hz，大于卫星整体对探测器的基频要求(≥100 Hz)。探测器结构的第二、三、四阶模态振型分别为底面及两个侧面的一次弯曲。模态分析结果表明，高能粒子探测器高能段载荷的结构能较好地满足刚度要求，具有较大的安全裕度。

2.3 探测器结构模态试验

模态试验[8]是基于外界激励和系统响应的动态测试，是通过系统输入的激振力和输出的响应数据经信号处理与参数识别来确定系统模态参数的一种试验方法，由于该方法能获得结构振动的固有特性，也成为判断模态分析结果有效性及有限元模型准确性的重要指标。

本文使用的试验设备为OROS动态信号分析仪，模态分析软件为N-Modal。将装配好的高能粒子探测器高能段载荷结构放在较软的泡沫上，使其近似处于自由状态。用力锤敲击结构，使其产生强迫振动，通过力锤中的力传感器触发OROS动态信号分析系统，并通过三向加速度传感器采集振动信号，最后将相关数据导入到N-Modal模态分析软件中进行参数识别。在N-Modal模态分析软件建立试验简化模型如图5所示，用24个节点定义了探测器结构上下左右4个侧面。本试验采用的是多参考点锤击实验技术(MRIT)，传感器依次放在14号、5号、20号、23号节点。力锤在24个节点上逐点锤击，其中对处于棱边上的节点进行了垂直于表面两个方向的锤击，每个数据重复试验3次。将试验所得数据导入N-Modal模态分析软件进行模态参数识别，分析出探测器结构的前4阶模态，如图6所示。

图5 模态试验中探测器的简化模型

模态振型相关系数(MAC)[9]可对计算模态和试验模态的相关性进行检验，其数学表达式为：

(2)

其中：φ为计算振型向量；φ*为试验振型向量。MAC值范围为0～1，其值越接近1表明计算振型越准确。对比模态分析结果及模态计算结果，并计算同阶振型的相关系数，结果如表2所示。

图6 探测器结构模态试验结果

阶次模态分析结果模态试验结果模态频率/Hz模态振型模态频率/Hz阻尼比/(%)模态振型误差/(%)振型相关系数1416.84顶面弯曲393.140.04顶面弯曲6.020.9212546.54底面弯曲537.354.36底面弯曲1.710.8933699.90侧面弯曲679.394.17侧面弯曲3.010.7054790.21侧面弯曲738.314.74侧面弯曲7.020.739

由图4、图6和表2可以看出模态分析结果与模态频率试验值非常接近，最大误差为6.02%，平均误差为4.35%。振型相关系数的最大值为0.921，最小值为0.705,平均值为0.815，表明各阶阵型基本一致。造成计算模态与分析模态误差的因素有：1)有限元模型进行了一定的简化和假设，对分析结果有一定影响；2)模态分析中采用的部分材料属性为经验值；3)模态试验中所取的节点数较少以及试验过程中产生的误差。

综合考虑这些因素，在误差允许范围内，可以认为所建立的高能粒子探测器高能段载荷的有限元模型较为准确，可以作为结构改进和进一步分析的基础。

3 结语

利用Inventor软件完成了高能粒子探测器高能段载荷机械结构的总体设计，结构方案可行，能较好地实现设备的预期功能。利用ABAQUS软件对探测器结构进行有限元建模并进行模态分析，结果表明结构具有较好的刚度，其一阶模态频率为416.84 Hz，满足卫星要求。利用OROS动态信号分析仪及N-Modal模态分析软件对探测器结构进行模态试验，并与模态分析结果进行对比，验证了分析结果的有效性及有限元模型的准确性，为高能粒子探测器高能段载荷结构的进一步分析与改进奠定了基础。