为什么要发射太空望远镜？分析，太空望远镜的外部干扰和内部干扰

前言

一个太空望远镜必须应对各种可能会降低视线和成像性能的干扰，这些可以被松散地分为外部干扰和内部干扰。

外部扰动是与空间环境相互作用的结果，包括重力梯度力矩、空气动力力矩、太阳压力（通常同时产生力和力矩扰动）和磁力矩。

内部干扰来自于航天器上的机制，如动量轮、推进器、陀螺仪、过滤轮和磁带记录仪，或在“热捕捉”事件期间结构界面（接头、锁闩、铰链）的应变能释放。

外部干扰通常不会降低空间望远镜的视线或成像性能，这些扰动力矩要么是恒定的，要么是周期性的频率，因此在一个实际的姿态控制系统的带宽内。

这种力矩作用于航天器，但由此产生的动量被吸收到反应轮中，而不是进入物体中，内部干扰则是另一回事。

这些是由脉冲现象产生的宽带激励，或者在反应轮扰动的情况下，性质上的高频和正弦（或多声）。

在任何一种情况下，通常都会有频率在姿态控制系统带宽之外的干扰分量，从而影响光周期。

在地球轨道上，任何有限尺寸的非对称物体都受到引力扭矩，因为地球的引力随着物体大小的变化而变化。

其中一个“哑铃航天器”，由等质量m1和m2组成，由一个刚性元素连接，以平均半径绕地球运行。

作用于质量m1的力大于作用于质量m2的力，前者更接近地球的质心，这个力差产生了一个关于哑铃的几何质心的力矩。

在没有任何外部阻尼或姿态控制系统的情况下，当哑铃绕地球旋转时会导致其持续振荡。

近地轨道航天器的气动力矩是由地球上层大气的阻力引起的，由于大气密度随季节、海拔、纬度和太阳活动（11年周期）而变化，这种效应的大小变化很大。

通常，这种扰动只是在海拔低于500公里处的一个因素，在那里它通常是主要的外部扰动，例如，HST必须在几年内重新增强，特别是在太阳周期的高峰期。

由于重心和空气动力压力中心的偏移，阻力产生扭矩：

其中CD为阻力系数，ρ为大气密度，V为标量速度，r为航天器质心到元素面积dA的向量，N元素面积的向外正法线，V为速度向量。

这个方程的封闭形式解存在于简化的几何形状，如球体、平面和右圆柱体，对于复杂的几何形状，必须通过数值解来评估气动力矩。

航天器的表面受到阳光的辐射压力，包括直接和反射，单位面积的力等于入射和反射光子动量通量之间的矢量差。

综合在该区域内，合力作用于扰乱了航天器的轨迹，但这对指向控制系统没有影响，然而，重要的是，这种力通常不会通过航天器的质心。

因此，围绕质心产生一个扭矩，必须由控制系统进行补偿，对于重力梯度和大气阻力可以忽略的高轨道的航天器，太阳辐射是主要的扰动转矩。

除了低温冷却器和仪器机构之外，在观测过程中，太空望远镜中唯一移动的部件是陀螺仪和反应轮。

陀螺仪产生的扰动完全可以忽略不计，但反应轮产生的扰动则不能，事实上，通常情况下，反应轮是干扰的主要来源。

尽管在磁轴承上非常平衡和旋转，反应轮有几个质量为几公斤的转子，转速高达3000 rpm，因此即使是微小的转子失衡也会产生毫克量级的扰动。

当车轮的速度掠过其运行范围时，车轮的振动将被结构的共振动力学放大，并在视线中引起抖动。

这种影响是暂时的，只要激发频率在结构中的共振频率匹配时才持续，但抖动水平可能仍然是不可接受的。

下图显示了NGST预测的视线抖动作为车轮速度的函数，这一初步分析表明，除非提供一些隔离，抖动将比可接受水平高5到10倍。

车轮不平衡可以通过位于转子外边缘的小集块质量建模为一级。

当车轮以给定的角速度ω旋转时，在这些小质量中产生的离心力产生反作用力和力矩，这些反作用力又通过车轮支架转移到航天器结构中，这些力和力矩是正弦的，频率为ω和振幅与ω2成正比。

作为“静态不平衡”和“动态不平衡”系数，扰动可以被建模为正弦项的和，对于一个绕z轴旋转的车轮，径向力矢量为：

由于主惯性矩轴与自旋轴不对齐而产生的摆动力矩：

静态不平衡和动态不平衡都是每转一次的项，尽管它们可以被某些相位角φ相互抵消，这通常是未知的。

除了这些不平衡项之外，在基本自旋速率的各种亚谐波和超谐波中还出现了许多其他重复的力。

轴承、轴承圈和保持轴承的相对间距的缺陷都导致了这些谐波，例如，在每个车轮速度谐波下测量的HST车轮的轴向和径向扰动力。

这些扰动在本质上是离心性的，因此它们的振幅随自旋速率的平方而变化，因此，在给定的谐波m中的力是形式的：

另一个扰动的来源是反应轮本身的内部共振，如果自旋速率或自旋速率的激发谐波与车轮的自然共振频率一致，则传输的振动可以被放大。

第一种模式通常在60-80Hz的范围内，一旦安装在隔离器上，可能会增加到100 Hz以上，因此，对于自旋速率低于70转的rps，基本的失衡在设计上不会激发这种共振。

然而，高谐波会，它们可以非常强，就像HST的情况一样。然后，振动隔离就有必要了。

附加设备，如太阳能阵列、悬臂式天线和太阳镜，由于它们的大尺寸和高杠杆率，是重要的干扰来源。

在它们其中，由于惯性效应、机构运动或热效应而产生的任何扰动都可以激发望远镜结构中的基本模态，并导致相当大的视线抖动。

例如，HST的原始太阳能阵列由于热断裂而在每个进入或退出地球阴影时振动，导致高达30毫秒的抖动峰值持续几秒钟。

显然，避免刺激这些附件的最好方法是设计它们的部署铰链和机制，这样它们就不会成为干扰的来源，当这还不完全可能时，可以采取两种基本方法来减轻其影响。

一是设计结构，使其共振频率足够高于扰动的频率，以避免被激发。相反，第二种方法是降低结构模式，使其在控制器带宽范围内，并使用控制器来减弱效果。

即使是望远镜内部机制的微小运动，也会产生大量的视线抖动，常见的罪魁祸首是录音机和过滤轮。

当航天器配备液体燃料用于轨道站保存时，燃料可能会成为干扰源，因为它在它的槽中跟随一个主要望远镜雪橇，通过在油箱中安装挡板，可以大大减少这种效果，然后通常会在几分钟内消失。

在红外线下工作的望远镜通常需要一个远低于光******光学温度的焦平面，如果一个人愿意接受一个有限的操作寿命，冷却可以通过杜瓦与消耗性冷冻剂，如液氦。

一种更长寿命的替代方案是一个连续运行的低温冷却器，使用一些热力学循环之一，如涡轮。

缺点是压缩机和其他运动部件是振动的来源，冷却器在设计时通常都考虑到了这一点，例如，一个活塞压缩机可以设计为有两个背靠背的活塞，从而消除基本的不平衡力。

但主动控制可以增强振动抵消，例如，通过感知残余的在线加速度或力，然后调整一个活塞行程的振幅和相位，以最小化残余扰动。

通过主动力抵消，在冷却器驱动速率的每个谐波中，剩余干扰可以低至0.1 N，通常在40-60Hz范围内。

虽然现代反馈控制系统和有源光学技术的结合有效地抑制了大多数干扰，但它们的带宽是有限的。

频率的干扰必须用其他方法来处理，解决方案分为五类：

调整望远镜结构，使共振落在激发光谱之外；这通常作为设计的一部分。

通过证明质量吸收器吸收扰动，这项技术已被用于高层建筑，以减少风的摇摆，并已被提出用于减少在非常大的望远镜中的二级镜塔的运动。

通过向相反方向移动质量以抵消影响来补偿源处的扰动，该方法用于最小化切割二次镜和机械冷却器所产生的干扰。

通过被动阻尼材料或主动结构元件所产生的运动阻尼，这些技术被提出是为了最小化大空间结构中的运动；这是最后的解决方案，因为它涉及纠正一个广泛分布的效应。

将干扰源与望远镜的其他部分隔离，空间望远镜系统地用于被动隔离，以减少反应轮产生的振动；主动隔离已被提出进一步改进。

在可行的情况下，最后一个解决方案是最合乎逻辑的，因为它在源头解决问题，而不是纠正下游的不良影响。

被动隔离通常是通过在源和主机之间引入一个软弹簧和阻尼器来实现的，这种简单隔离器在频率f下的传输函数为：

其中，f0为隔离器的谐振频率，ζ0为阻尼比，分母中的平方项在大于频率的隔离器谐振频率时降低传输率。

在这种由惯性主导的状态下，扰动产生的力被振动部分的质量所抵抗，从而使传递率下降为1/f 2。

阻尼比通过限制在隔离器谐振频率上的任何扰动的力放大，人们通常设计隔离器，使其共振远低于干扰中预期的频率内容。

大阻尼的缺点是分子处的粘性项在高频下硬化隔离器，因此，在高频时，滚减的频率只有1/f。

通过构造与阻尼器串联的第二弹性弯曲的复合弹簧来避免这种粘性阻尼锁定。

HST车轮隔离器，它的功能是阻止车轮上不良的高频振动，同时允许低频姿态控制力矩通过，该隔离器由六个元件组成，其粘性阻尼流体被限制在两个波纹管之间移动。

第三波纹管用于流体的热膨胀，以及外裙，以防止流体在泄漏时泄漏，这些弹簧被调谐到可以给出一个20 Hz的轴向隔离频率，它们被安排为符合轴向运动，但在旋转方向上僵硬，以保持反应轮的指挥权限。

阻尼是由在两个板之间剪切的粘弹性材料的薄片提供的，粘弹性阻尼器的优点是，由于是固体的，它避免了在HST上使用的复杂波纹管，以防止泄漏。

由于这个隔离器比HST的要软得多，兼容的聚氨酯缓冲器被用于限制发射振动期间的行程。因此，在发射期间实现了有效的40 Hz隔离，软化了反应轮的乘坐。

当一个隔离器不够时，两个可以串联堆叠，但是必须注意采用质量比例，以便第一和第二阶段不会结合（即，合并成一个单一的遵从性）。

安装第一隔离级的第二级的隔离质量应至少是第一个隔离质量的5到10倍，显示了单个4Hz隔离阶段与双4Hz隔离阶段的传输率曲线。

很明显，在大约两倍隔离频率的双阶段方法获得了相当大的优势，其中双4Hz隔离器相当于单2Hz隔离器。

为了实现两级反应轮隔离，人们可以将每个轮安装在一个单独的隔离器上，然后在一个进一步隔离的托盘上放置一群轮。

参考文献：

【1】胜子，《现代控制工程》，普伦蒂斯-霍尔，1997.

【2】，B.C.，自动控制系统，普伦蒂斯-霍尔，1985.

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