空间相机中主镜的轻量化技术及其应用

对空间相机主镜的轻量化技术作了全面的总结和概括,阐述了主镜轻量化技术的一般考虑,总结了轻量化技术中主镜口径确定、材料选取、结构形式、基体形状、支撑方式、支撑装置的结构形式、热稳定措施及CAD/CAE应用。最后给出了主镜轻量化的典型应用实例,对其进行了光机热综合评估。     

空间展开机构设计及其动力学分析

随着航天事业的发展,越来越多的宇航工程中会应用一些大型的在轨机构,以满足不同的任务需求,本文设计了一种可应用于航天器太阳翼的圆形空间展开机构。主要包括同步机构的设计、自锁铰链的设计以及驱动机构的设计,最后基于Adams以及RecurDyn两种多体动力学仿真软件分别对本文所设计的驱动机构和四单元扇形空间展开机构进行了动力学仿真,结果表明本文所设计的空间展开机构可实现多级展开,并具有展开的可靠性和可控性。     

1.5m口径空间相机主镜组件的结构设计

研究了1.5m口径空间相机反射镜组件的结构,设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料,分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数,得到了重131.9kg,轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上,设计了主镜支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后,利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明:主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8nm),(20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内,主镜组件一阶固有频率为95.8Hz,有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。     

空间大型可展开天线展开机构设计与分析

空间环形可展开天线借助于贯穿在杆件中的绳索的收卷完成展开,为了能精确测定已收卷绳长,使绳长作为天线展开程度的有力判据,文中设计了一种带绳索排布管理的动力展开机构。该机构利用原有展开机构的动力源,经过齿轮变速箱传动,由凸轮机构将展开电机的单向转动转化为过绳滑块的往复运动,来引导绳索在卷绳轮上按照一定的规律整齐排布。动力学仿真分析和功能试验,均证明该机构可以在承受一定负载的情况下平稳运行,绳索排布的效果良好。     

空间双相机同速异向驱动机构设计

为提高空间光学相机在轨成像效能,创新采用双相机驱动机构,增加相机在轨工作模式。该机构具有同步性高、驱动简单可靠、消耗资源小的优点。首先,详细分析了机构运动的需求,确定了驱动机构方案,接着,对驱动机构的相关参数进行了计算分析,确定了电机型号;然后,根据任务规划,对凸轮曲线进行了详细设计,最后,进行了机构的详细设计和运动学分析,完成了缩比原理样机的研制,结果表明该机构可以满足相机使用要求。     

离轴三反空间相机调焦机构设计

空间相机受所处复杂运载环境(冲击、振动、过载)和空间运行环境(压力、温度、微重力)的影响易产生焦平面偏移.为提高成像质量,本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量.该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计,有效地提高了结构强度、刚度和可靠性,从而保证了调焦精度.介绍了其结构和工作原理,描述了相应的可靠性设计措施,最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试.试验结果表明:该调焦机构具备良好的自锁特性,其直线运动精度优于±2 μm,重复定位精度优于±1 μm;调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5”,满足用户提出的精度要求.     

空间相机直线调焦机构的设计

针对空间相机在使用时受空间环境中重力、温度及压力等因素的影响,引起各光学镜面位置相对变化,从而导致像平面与焦平面不重合的问题,在分析空间相机的3种调焦方式及调焦机构设计基本原则的基础上,针对某空间相机的要求设计了一种直线调焦机构.利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,采用绝对式编码器检测位移.该机构具有低摩擦、传动简单等优点,可有效地减少过多的传动环节所带来的传动误差.采取开环控制和闭环控制两种方式检验了该机构的精度,并讨论了误差产生的原因.实验数据的统计分析及残差分析表明,直线调焦机构的开环调焦精度为0.002 5 mm,闭环调焦的精度可达到0.001 5 mm,满足0.01 mm使用要求.     

空间相机调焦机构误差分析

空间高分辨率遥感仪器的发射过程和在轨复杂的温度环境条件会使其光学焦平面发生偏离,从而影响相机的成像质量.为补偿相机焦平面位置的变化,本文根据高分辨红外相机的在轨应用环境以及光学设计要求,对相机的调焦机构进行了方案设计和误差分析.计算了结构误差对系统精度的影响,对不同类型结构的精度进行了归类,并利用齐次坐标变换矩阵建立了误差分析模型.同时,详细分析了误差源的特性、概率分布和变换矩阵参量间的关系.利用Monte Carlo法进行了仿真,结果表明该机构设计合理,满足仪器的使用要求.样机测试表明,该机构行程内轴向位置误差为(-0.01±0.003 6)mm,透镜最大倾斜角为25″,最大离轴量为0.005 mm.目前,该机构已成功在轨使用.     

柔性空间展开机构动力学建模研究

介绍了柔性多体系统动力学中的三类建模方法：浮动坐标系描述法、迁移坐标系描述法和惯性坐标系描述法。对各类建模方法从总体上作了比较,结果表明,对具有小变形、低转速特点的空间可展开机构动力学,较适合于采用浮动坐标系描述方法建立模型。然后,分别对浮动坐标系描述方法中所涉厦运动学的描述,动力学方程的建立和模态综合技术等问题进行了讨论。     

一种空间相机直线调焦机构的设计与分析

空间相机在使用时由于空间环境中重力、温度及压力等因素的变化,引起各光学镜面位置的相对变化,进而导致像平面与焦平面的不重合。为了保证成像质量,必须采用调焦机构补偿离焦量,从而改善成像质量。本文分析了空间相机的三种调焦方式及调焦机构设计的基本原则,并针对某空间相机的要求设计了一种直线调焦机构,利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,采用绝对式编码器检测位移,采取开环控制和闭环控制两种方式检验了该机构的精度,通过对试验数据统计分析及残差分析可以看出,直线调焦机构的开环调焦精度为0.0025mm,闭环调焦的精度可达到0.0015mm,讨论了误差产生的原因,满足0.01mm使用要求,同时该直线调焦机构具有精度高、灵敏度高、模块化程度高、传动方案简单、易于装调等优点。     

空间大口径光学望远镜可展开主镜动力学建模研究

采用混合坐标法建立了某空间光学望远镜可展开主镜的动力学模型。在建模过程中采用固定界面子结构模态综合法,用主镜中各分瓣子镜的弹性正则模态和静力校正模态组成的模态集来表示结构变形,仿真分析了镜片柔性对系统动力学特性的影响。仿真结果表明,实际工程应用中镜片柔性对系统的影响不可忽略。     

空间大口径望远镜可展开镜片系统的概念设计

简要介绍下一代空间望远镜的可展开镜片系统的概念设计及其进展,以直径为2米的卡塞格林型望远镜为目标,对其主反射镜和次镜的可折叠、展开原理机构进行了初步分析,给出了利用点扩散函数来进行主镜剖分方式及其子镜形状选择的方法,从经典机构的角度,分别对主镜剖分后的子镜和次镜的展开、定位和锁紧等运动及其结构进行了分析和选择,给出了一种可展开空间望远镜的概念设计方案;最后,提出了需要进一步研究的关键问题。     

空间伸展臂折展单元展开运动特性分析

基于对国内外空间伸展臂机构研究状况分析,提出一种四棱柱型剪叉式空间伸展臂。在分析伸展臂工作原理的基础上,确定折展单元(剪叉单元)的构型特征,并基于螺旋理论求解伸展臂折展单元运动度,验证四棱柱型剪叉式空间伸展臂的运动单一性和折展稳定性。据此,分析空间伸展臂折展单元的几何特性,获得折展单元轴向展开运动规律线图,并利用所研制的原理装置在低重力模拟环境下完成伸展臂展开性能和重复展开精度测试,结果表明四棱柱型剪叉式空间伸展臂满足空间折展机构的功能需求。     

径射状可展天线反射器结构设计与动力学分析

结构动力学分析是大口径空间天线研制工作的重要组成部分。本文将多级剪刀机构与复式螺旋机构组合,提出了一种新型的径射状可展天线反射器结构,设计了18 m口径的天线反射器,并建立了工作状态时的天线反射器结构有限元模型。采用ANSYS软件计算了径射状天线反射器的固有频率、谐响应和冲击响应,并研究了索网拉力、材料阻尼等对冲击响应的影响规律,为该天线的结构参数优化和阻尼设计提供了依据。     

空间凸轮-螺旋组合式折叠翼面展开机构设计及其运动特性分析

提出新型空间凸轮—螺旋组合式折叠翼面展开机构,分析其工作原理,确定其相关技术参数。基于解析法与反转法,对折叠翼面展开机构的功能执行部件———空间圆柱凸轮机构进行了运动规律设计和包括凸轮槽道廓线、压力角及廓线曲率半径的设计,建立了折叠翼面展开机构展开运动学理论模型并进行了求解,结果证明折叠翼面展开机构符合设计要求,其运动规律设计正确。     

空间可展开望远镜结构动力优化设计

介绍了某口径为4m的空间可展开望远镜的结构形式,建立了其有限元参数化模型.以系统结构总质量最小为目标函数,以部分待定的结构尺寸为设计变量,以可展开望远镜在收拢和展开两种状态下的动力性能要求为约束函数,建立了空间可展开望远镜的动力优化数学模型.利用遗传算法对该模型进行了优化计算,取得了比较满意的结果,为可展开望远镜的结构设计提供了一组较好的理论参考值.     

空间可展开望远镜结构动力优化设计

介绍了某口径为4m的空间可展开望远镜的结构形式,建立了其有限元参数化模型。以系统结构总质量最小为目标函数,以部分待定的结构尺寸为设计变量,以可展开望远镜在收拢和展开两种状态下的动力性能要求为约束函数,建立了空间可展开望远镜的动力优化数学模型。利用遗传算法对该模型进行了优化计算,取得了比较满意的结果,为可展开望远镜的结构设计提供了一组较好的理论参考值。