基于Rayleigh算法的空间相机桁架结构设计与优化

为了满足空间相机主支撑结构在强度、刚度和稳定性等方面的要求,根据能量守恒原理,采用基于Rayleigh算法的单位力法,推导了空间相机三角形桁架单元的频率计算公式,研究了桁架杆间夹角对相机主支撑结构频率的影响。以某种桁架式空间相机为例,结合有限元方法对理论计算结果进行了分析验证,并以此为基础对相机的桁架结构进行了优化。结果表明:优化后的相机结构较原方案在X和Y向的频率分别提高了18.01 Hz和27.38 Hz,增加了相机结构刚度,为以后的空间相机主支撑结构设计提供了重要依据。     

小型红外相机结构设计与分析

为使某飞行设备携带的小型红外相机在宽温度范围及恶劣动力学环境下能够良好成像,开展了红外相机光机结构设计。首先对光学系统及整机工作环境进行了分析,确定了光机结构采用全铝机身;其次对核心部件主镜的支撑结构进行了详细研究,分析说明了主镜传统支撑方式的局限性,确定了主镜与支撑采用一体化设计的方案,该设计同样适用于次镜;接着根据相机尺寸选择了主次镜间支撑结构;然后根据光学系统设计了合理的遮光罩;最后,对相机过载适应性、温度适应性及模态进行了有限元分析,分析结果表明:该小型红外相机的光机结构能够满足设计指标要求。     

双视场航空相机光机优化设计

依据某航空相机光学设计指标设计了焦距为100 mm、400 mm的双视场相机,其长焦距全视场传递函数达0.3以上。为减小相机重量,提高其动态刚度,以相机主支撑结构的厚度和筋宽为设计变量,以固有频率不低于某值为约束条件,应用NX7.5软件对航空相机结构进行了优化设计。优化结果为相机质量减小了0.7 kg,一阶固有频率提高了13 Hz。对优化后的相机结构进行了模态分析和热分析,分析结果验证了优化设计的正确性。最后通过试验验证了设计结果的有效性。航空相机切实可行的光机设计有效地保证了整个系统的性能指标都能满足使用要求。     

某空间可见光相机的机身桁架结构设计

作为空间可见光相机的主要承载结构,机身桁架结构对于保证机身的力学性能至关重要。为了保证空间相机机身的结构刚度和稳定性,针对机身桁架结构设计进行了研究。研究了桁架的基本结构,分析了支杆力学性能的影响因素,探讨了支杆长度和角度对该机身桁架力学性能的影响。分析了支杆数量、支撑位置和分布形式对机身力学性能的影响,并分析了"△"型和"X"型桁架结构的特点。通过选择合理的支杆数量和分布形式,保证了机身桁架的力学性能。然后在设计分析的基础上进行了力学试验,验证了机身的力学性能。试验结果表明,该桁架结构的设计能够获得较好的力学性能,满足机身结构的设计要求。     

空间相机碳纤维承载舱的动态设计

为了满足空间相机在装星时的空间位置要求,并避免空间相机与星体之间的共振,设计了空间相机的承载舱。该设计采用了具有优良力学与工艺性能的碳纤维材料以及具有合理拓扑形式的桁架结构。采用计算机仿真试验和三次样条插值法对承载舱的杆截面尺寸进行了优化。结果表明,当杆截面尺寸为28 mm×28 mm×3 mm时,承载舱的动态特性和整体质量满足设计要求。     

空间相机桁架式支撑结构的集成优化设计

桁架式支撑结构在大中型离轴三反(TMA)空间相机中使用广泛,如何提高其动力学特性是此类相机研制过程中的关键。针对桁架结构的设计问题,提出了通过集成优化确定桁架结构动力学特性最佳位置的方法,使用实验设计的手段,对影响其动力学特性的各桁架杆位置变量进行了研究,分析了该优化问题解空间的特点;为了实现桁架结构的全局最优设计,以提高支撑结构的一阶自然频率为目标,使用多岛遗传算法(Multi-island GA)进行全局寻优求解。利用有限元分析的方法,得到该桁架经优化后的一阶自然频率107.72 Hz,较未经优化的初始结构(83.45 Hz)提升了29%,效果显著。该研究提出的集成优化模型和分析方法为此类桁架结构的设计提出了新的思路。     

空间碎片多光谱探测相机光学系统设计

为了实现对空间碎片探测,提出了一种空间碎片多光谱探测相机光学系统,由可见光相机、长波红外相机、中波红外相机光学系统组成,三个相机共用主、次镜,在三路相机光学系统中同时加入校正组件平衡校正像差,可见光相机焦距为1000mm,视场为1.2,长波红外相机焦距为-250mm,视场为2.75,中波红外相机焦距为-500mm,视场为1.38,考虑了温度对相机像质的影响,采用热膨胀性系数小的材料作为反射镜基底,分析了三个相机光学系统在空间环境下（205℃）温度环境下的像质变化,设计结果能满足使用要求。     

长焦距航空相机光学系统设计

航空相机是装载在飞机上用以拍摄地表景物来获取地面目标的光学仪器。为满足远距离摄影的要求,需要物镜有较长的焦距,以使远处的物体在像面上有较大的像。因此,设计了长焦距航空相机。设计焦距为550 mm,F数为6,视场2ω=9°的长焦距航空相机光学系统。在对长焦距航空相机的物镜进行设计时,首先,选取双高斯物镜作为初始结构。为了提高系统的像质,可使用ZEMAX对系统进行优化。对优化后的系统进行标准化及公差分析,最后得到符合要求的光学系统。该系统在每毫米80对线空间频率下,MTF大于0.15,具有良好的像质。     

高分辨力空间遥感器次镜支撑设计

长焦距空间遥感器次镜热控实施难度大、发射动态响应大,因此,必须具有较宽的温度适应范围和较高的动态刚度.文中阐明了次镜支撑方式的基本原则,并从材料选择、消热设计等角度出发,设计了一种柔性支撑结构;对该支撑的3个柔性环节进行了灵敏度分析,得到了各自对次镜面形精度影响的程度;通过优化设计确定了该支撑的尺寸参数,并对次镜组件进...     

同轴反射式空间相机新型次镜支架结构

为提高同轴空间相机次镜安装结构的稳定性,减小因次镜位置变化对相机成像质量的影响,深入研究了次镜支架结构。针对同轴长焦距相机光学系统的特点和传统次镜支架存在的不足,基于三角形稳定的原理设计了一种新型次镜支架,有限元分析结果表明:在相同质量条件下,该结构的基频、抗扭刚度和沿光轴方向的刚度相对传统结构均大大提高,其中基频提高了20%以上。为验证该结构的可行性,研制了两种钛合金样机结构。试验表明,轻量化后的支架质量仅1.7kg,基频可达293Hz。该结构解决了传统次镜支架结构刚度低、基频低的难题,并实现了高轻量化和高比刚度,容易加工和装配,适用于可见光和红外多种类型空间相机,已在某可见光空间相机中成功应用。     

空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验

随着空间光学遥感器地面分辨率逐步提高,长焦距、大口径相机成为重点研究方向。为了克服重力变化、复合材料变形等因素带来的天地不一致性的问题,次镜调整成为校正光学遥感器离焦和主次镜相对位置变化的关键技术之一。将次镜柔性支撑、精密直线驱动与柔性铰链传动技术相结合,设计了一套高精度次镜调整机构。首先介绍了该套机构的光机构成、工作原理及传动链路,然后对超轻次镜、高精度直线致动、高精度调焦传动等设计分别进行了阐述,最后介绍了力学环境试验后的调整精度测试情况。试验结果表明,该套精密调整机构实测调整行程大于±120μm,轴向调整步距精度0.18μm (3σ值),调整行程内次镜的最大平移误差为1.30μm,最大倾斜误差为1.93″,具有调整范围宽、调整精度高的特点,满足空间光学遥感器精密次镜调整的要求,已成功在轨应用于北京三号B卫星0.5 m级高分辨率空间相机。     

大口径空间红外相机铍铝合金反射镜组件材料选择与设计

针对某空间摆扫相机系统，为了保证空间红外相机获得轻质、可靠的摆扫头部，且各反射镜均具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率，对其摆扫部分的结构进行了针对性研究。选择了铍铝合金材料作为Φ750 mm口径主反射镜材料，以钛合金材料的柔性支撑结构支撑，安装在铍铝合金材料的主镜室内。包含次镜组件、次镜支撑和遮光筒，整个摆动部分总质量为17.5 kg。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析，结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.04 nm，满足全口径范围内面形误差不低于λ/20(λ=632.8 nm) 的要求。摆动部分一阶谐振频率为122 Hz，为控制系统预留了较大的带宽。实体模型的力学试验结果与有限元分析结果接近，表明满足总体对摆扫部分的设计要求。     

深空探测遥感相机支撑结构设计

支撑结构是连接卫星与相机的关键部件，在发射和在轨环绕阶段对相机提供保护和空间应用需求。深空探测器发射阶段的振动载荷高达13 g甚至更高（地球探测为8~9 g），支撑结构既要克服剧烈振动可能造成的相机结构破坏还要保证光学系统的热稳定，具有较高的设计难度。通过分析不同支座形式的结构特点设计了刚性支座、平动支座两种不同的支座形式，从刚度和热稳定的均衡性出发将两种支座形式进行了组合设计，提出了一个刚性支座+两个平动支座的设计方案。理论分析与实验验证得到:该支撑结构的一阶频率为58 Hz，远高于整星基础频率，温降15℃仿真分析结果显示主镜偏转角为3.66，次镜及三镜相对主镜最大偏转角为7.85，均满足设计要求。振动及热平衡试验表明:相机各项指标正常。     

空间遥感相机大口径变方位反射镜设计

随着遥感技术的发展,新型相机对变方位反射镜提出了口径更大,精度更高的需要。针对1 000 mm×700 mm大口径变方位反射镜提出了一种新式背部高稳定支撑设计,相对于常规变方位反射镜设计,具有体积包络小、重量轻、适应性广的特点。反射镜采用ULE材料,蜂窝夹层的轻量化结构形式,通过背部三点关节球铰卸载了反射镜的装配应力和在轨热变形应力,达到反射镜的无应力静定支撑。通过重力卸载结构的设计和卸载力的优化,解决了光学反射镜地面测试结果天地一致性问题。仿真分析表明地面重力环境下,在90°反射镜面型测试方位时,面型为0.006λ(λ=632.8 nm);在75°整机成像方位Ⅰ测试时,面型为0.005λ;在45°整机成像方位Ⅱ测试时,反射镜面型为0.011λ。反射镜组件的一阶频率达到83.2 Hz,具有较高的刚度,能够满足发射时力学环境要求。这种大口径变方位反射镜组件设计能够满足新型遥感相机的需求,也可为同类反射镜的设计提供参考。     

基于SiC材料的空间相机非球面反射镜结构设计

针对空间相机中优质轻型光学反射镜对材料提出的要求，详细讨论了设计基于SiC材料空间反射镜的一系列问题，包括径厚比的选择、支撑点数量、轻量化结构形式、材料特性匹配等，提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式，并设计制造了 Φ600 mm轻量化SiC反射镜实验件。抛光后反射镜面形精度优于λ/20 rms。为验证重力变形的影响，将反射镜分别旋转了90°和180°，用Zygo干涉仪检验，3个方向检测结果误差均小于λ/100 rms。在此基础上设计完成了某空间相机中的SiC非球面主镜、次镜、第三镜，结果表明基于SiC材料的反射镜在重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求，而且与玻璃材料相比，在很大程度上降低了重量。     

具备调焦功能的空间光学载荷支撑结构设计(特邀)

由于空间环境变化,高分辨率空间光学载荷在轨会产生不同程度的离焦从而影响成像质量,因此需要进行在轨调焦。为了适应高分辨率、轻小型空间光学载荷发展需求,设计了一种集支撑功能、调焦功能为一体的结构,通过热控系统对支撑结构温度的精准控制来调整次镜组件在光轴方向的位置,从而使载荷具备调焦功能。首先,根据光学系统参数进行调焦精度分析,确定支撑结构的设计要求;然后,基于连续拓扑优化中的变密度法(SIMP)进行支撑结构的全局优化;最后,开展了热光学试验,验证支撑结构的热控调焦功能并测量热控调焦系数。试验结果表明:该光学载荷支撑结构热控调焦系数为0.071 mm/℃,可实现0.014 mm调焦精度和±0.385 mm调焦范围。基于该调焦方法设计的“吉林一号”高分03星已经完成在轨测试,调焦精度和调焦范围满足设计预期。     

临近空间望远镜次镜优化设计

根据临近空间球载望远镜高力热稳定性、高性能的要求，对其次镜组件进行优化设计。临近空间球载望远镜虽然没有火箭发射力学环境严苛，但是其独特的飞行过程受到温度变化、加速度等影响，同时由气球搭载升空，质量要求较为严格。相比于传统反射镜设计方法，采用实体优化和基结构优化相结合的方法，集成优化对镜体进行设计，引入综合评价因子优化次镜综合性能，最终次镜组件性能良好，说明优化方法有效。通过有限元仿真分析得次镜组件在重力和±3 ℃均匀温变工况下刚体位移小于3 μm，面形精度优于λ/50，在0.02 mm装配误差下面形精度优于1 nm。次镜组件一阶频率为203.8 Hz，10 g加速度应力响应（35.4 MPa）远小于材料屈服应力。采用该方法优化可获得高力热稳定性、高性能的次镜组件。     

空间遥感器反射镜背部支撑结构设计

鉴于空间遥感器反射镜组件需要具有高面形精度、高可靠性和高稳定性支撑的性能,设计了一种应用于天基反射镜的三点背部支撑结构,该支撑结构包括锥套、柔节和修研垫。对三点背部支撑的支撑原理以及工程实现开展了深入研究。对引起三点背部支撑反射镜组件面形误差变化的误差源进行了归纳总结,研究了各个误差源引起面形变化的作用机理,对支撑结构开展相应的设计来缓解各个误差源导致的反射镜的面形精度的变化。首先采用有限元仿真的方法对设计结果开展静、动力学仿真,然后对加工装配完成的反射镜组件开展了试验测试。测试结果表明,在工作状态下采用该三点支撑结构的镜组件的面形误差优于/60（=632.8 nm）,镜体刚体位移小于0.01 mm,镜体转角小于2,质量小于4.5 kg。整个组件具有合理的模态分布,基频是254 Hz,大大高于设计要求值120 Hz。镜组件在正弦振动和随机振动下的最大放大倍率为1.73倍,在正弦振动和随机振动下的最大应力为369 MPa,远低于选用材料的屈服极限。     

空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化

针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。