空间相机主次镜间的薄壁筒和支杆组合支撑结构

为了满足大口径、长焦距空间相机中次镜相对于主镜的位置精度要求,设计并研制了主次镜间的支撑结构,分析和试验验证了组合支撑结构的稳定性。首先,根据给定的光学系统,确定了主次镜之间采用薄壁筒和支杆组合的支撑结构形式,对比了支撑杆和薄壁筒的结构形式以及二者之间的连接方式,通过优化,完成了组合支撑结构的设计。然后,讨论了重力对支撑结构的影响,并进行了固有频率和正弦振动响应分析。最后,通过量级逐增力学试验,采用光学方法测量了主、次镜间的角度变化量,验证了支撑结构的结构稳定性。试验结果表明:主、次镜间的角度变化量10″,组合支撑结构的一阶基频75 Hz。这些结果满足主、次镜间角度变化量要求,具有较好的结构稳定性。     

空间相机柔性减振支撑结构的优化设计

根据高分辨率空间相机性能要求,设计了一种倒圆角直梁复合组成的双脚架柔性减振支撑结构。首先,根据某卫星结构要求初步设计了相机底部支撑结构,建立了以随机响应为目标的优化设计模型。利用尺寸优化设计了双脚架结构支腿的柔性环节,得到柔性环节最小厚度为2.5mm。然后,对相机底部支撑结构进行了工程分析。分析结果表明,设计的支撑结构组件重量1.26kg,基频达到1 624Hz。最后,对空间相机底部支撑结构组件进行了随机振动试验,试验结果显示:与相机结构连接处的最大响应RMS值为21.4grms,随机响应最大相对放大率为0.93,满足空间相机支撑结构的减振要求。得到的结果验证了设计和分析的可靠性,对同类卫星相机底部支撑结构的设计具有一定的指导意义。     

大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

针对某1m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求,设计了一种轻型分体支撑结构.首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发,综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料;然后以结构质量分数为约束条件,建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,得到了拓扑结...     

同轴空间相机碳纤维复合材料桁架结构的研制

从某空间相机的任务需求出发,提出了采用基于碳纤维复合材料的高精密桁架作为主次镜间的支撑结构,完成了相关设计和工程分析,并在加工制造过程中,对相关工艺流程进行了探索.确定了相关结构的制造工艺流程,实现了该结构的高精密加工.最后,深入开展了相关振动、力学和温度稳定性试验,搭建了基于光学测量方法的自动测试平台,排除了人为因素的影响,实现了快速多次自动测量,从而提高了测试精度.分析和试验结果表明:所研制的大型碳纤维桁架质量仅为13 kg,基频达到119 Hz,在重力、10℃温升和4℃温差条件下的变形均小于4″,各组件φ864 mm安装接口的平面度优于8μm,同时实现了高度轻量化和高稳定性.该桁架已成功应用于某空间相机中,提出的设计、试验方案和工艺流程可以作为其它同型空间相机结构设计的技术参考.     

微小型空间相机碳纤维整体式主框架轻量化设计

针对某微小型离轴空间相机结构紧凑、质量轻的设计要求,设计了一个高度轻量化的整体式碳纤维主框架。首先,根据空间相机具体功能的设计指标和光学系统,确定主框架的材料和结构形式,设计出碳纤维整体式主框架的基本构型。接着对铺层厚度参数化优化,并考虑碳纤维复合材料的制造约束,确定了主框架碳纤维铺层的厚度、比例。将参数化优化的结果进行离散化,进行碳纤维铺层顺序的优化,确定了最佳的堆叠次序,完成了碳纤维的铺层优化设计,实现了主框架的轻量化设计,解决了复杂碳纤维零件优化的问题。然后对设计完的碳纤维主框架结构代入整机有限元模型中,进行有限元仿真分析,验证主框架的性能指标。最后,将整机装配完成进行动力学试验,并与有限元分析结果进行对比验证。经过优化,碳纤维主框架的质量为4.5 kg,相机一阶频率为81 Hz,动力学试验得到的相机整机的一阶频率为78 Hz,仿真误差为3.7%,符合仿真结果,进一步说明了设计的合理性以及正确性。本文提出的空间相机碳纤维整体式主框架设计方法对微小型离轴三反式空间相机结构设计以及碳纤维零件的轻量化优化设计具有一定的借鉴意义。     

空间遥感相机碳纤维机身结构设计

针对离轴三反相机光学系统对机身结构的要求,采用碳纤维复合材料制备关键部件,设计了合适的相机机身结构.设计的离轴三反相机采用的复合材料占整机重量的32％.机身结构为非对称形,光学系统中主、次镜间距为850 mm,反射镜接口定位精度要求间隔为0.005 mm、偏心为0.005 mm、倾斜为5″.通过有限元软件对设计结果进行分析、优化和检验,完成了机身结构的优化设计.计算结果表明,该机身结构具有较好的刚度、较轻的重量,能够满足光学设计对间隔,偏心和倾斜的要求.对总装完成的相机进行了力学环境试验和热真空试验,结果证明了该相机机身结构在力、热等环境条件下稳定性良好,其一阶谐振频率在120 Hz以上,相机调制传递函数在0.2以上,满足离轴三反空间相机各反射镜对空间位置精度和稳定性的要求.     

空间轻小型离轴三反相机桁架主支撑结构设计

为了满足轻小型离轴三反相机精度高、质量小的要求,采用了一种以碳纤维桁架杆结合钛合金安装基板的空间相机主支撑结构。通过分析对比各种空间相机主支撑结构的优缺点,结合本文所述光学系统的特点,确定了次镜安装基板和折叠镜安装基板分开支撑的支撑方式。对初始的主支撑结构进行以一阶频率为优化目标,质量为约束条件的动力学尺寸优化,并对最终的主支撑结构特性进行了有限元分析和试验验证。有限元分析和振动试验表明:在主支撑结构质量不大于4 kg的条件下,所研制的离轴三反相机主支撑结构力学性能指标均满足设计要求,其中一阶频率达到291.4Hz。该离轴三反相机主支撑结构设计方案可以作为其它同型相机结构设计的技术参考。     

空间相机碳纤维框架的设计与优化

设计了一个应用于轻小型空间相机的碳纤维框架。根据光学系统中各光学元件的空间分布特点,通过比较选择结构性能和工艺性能优异的M40J碳纤维复合材料完成了相机框架的结构设计,并使用TC4预埋镶嵌的方法解决了碳纤维框架接口精度低的问题。对碳纤维框架进行区域划分,采用集成仿真与优化设计方法、遗传算法全局寻优与单纯型下山法局部寻优的组合优化策略对碳纤维框架各区域结构参数进行优化设计。经过优化,碳纤维框架包含TC4预埋件的总质量为15.6kg,仅占相机整机质量的18.4%,相机的一阶频率达104.8Hz。最后通过力学环境试验得到相机整机一阶频率为102Hz,与仿真结果相符,进一步验证了设计的合理性和正确性。文中提出的碳纤维框架方案对轻小型空间相机设计有一定的借鉴意义。文中所采用的优化方法可广泛应用于空间相机光机结构设计中,能大幅度提高设计效率,缩短研制周期。     

轻型空间相机支撑桁架的精确控温

由于长焦距相机中支撑桁架的温度变化会降低光学系统成像质量,本文研究了空间相机支撑桁架的热控设计。根据某高分辨相机的结构参数、光学系统对支撑桁架温度的要求及卫星的轨道参数分析了桁架杆的吸收外热流并确定了加热功率;讨论了桁架热平衡公式,并确认桁架杆的轴向温差主要与桁架杆加热片功率和加热片粘贴位置有关。在对桁架杆简化数学模型理论分析的基础上,得到了杆的温差方程,进而提出两种满足支撑桁架精确控温的热设计方法:增大加热片面积和增加杆的等效导热率。实验证明了新型导热材料PGS(Pyrolytic Graphite Sheet)可以很好地满足支撑桁架等效导热率及轻型化的要求,使用0.076mm厚的PGS时,可以将支撑桁架的轴向温差由7.9℃减小为0.83℃,且每根桁架杆质量只增加12g。最后,通过热分析模型进行仿真实验,证明了理论分析的正确性,通过对桁架杆温差测量试验和热真空试验,验证了仿真分析结果和PGS的空间适应性。得到的结果证明了本文提出的空间桁架的精确控温方法是适用且有效的。     

大口径空间遥感相机主反射镜支撑设计

为降低外界载荷对空间遥感相机主镜面形精度的影响,提出采用不同的柔性环节独立约束主镜自由度的设计思想。通过运用CAD工程分析软件进行主镜系统动、静态特性及热特性的仿真分析,并在此基础上对主镜系统中柔性环节的结构参数进行修正,在保证支撑刚度的前提下降低由于重力、装配应力及温度变化对面形的影响,并可承受发射过程中的冲击和振动。     

月基极紫外相机反射镜与探测器间支撑结构

为了保证月基极紫外相机在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中的大量级振动冲击、月表超大温差环境以及尽量轻的相机重量条件下,反射镜相对于探测器的位置精度要求,设计并研制了基于CFRP(carbon fiber reinforeed plastic)的反射镜与探测器间的支撑结构,分析并试验验证了支撑结构的稳定性.首先,根据极紫外相机的光学系统,确定了反射镜与探测器间的支撑结构形式;然后,考虑相机重量及反射镜相对探测器的位置精度及稳定性要求,采用CFRP作为支撑结构的结构材料;分析了重力和温度载荷作用下反射镜相对探测器间的角度变化量、反射镜面形;支撑结构的固有频率以及在整机上的正弦振动、随机振动应力响应.试验结果表明:反射镜相对探测器间的角度变化量＜20″,验证试验后图像分辨率,满足相机技术指标要求.     

大型离轴三反相机桁架式主支撑结构的设计与优化

为了提高空间相机主支撑结构的刚度,减轻结构质量,根据大型离轴三反空间相机的特点,研究了其主支撑结构的形式.应用Rayleigh法推导了桁架式主支撑结构的基频计算公式,分析了桁架杆间夹角对其基频的影响,并以此为基础研究了其优化方法和优化过程.优化设计了某预研空间相机的桁架式主支撑结构并对其结构特性进行了分析.分析结果表明,设计的主支撑机构的质量减轻了22 kg,基频可达146 Hz,表明本研究对大型离轴三反空间相机主支撑结构的设计具有参考价值.该研究结果已成功应用于某预研相机的样机研制中.     

空间相机镜筒柔性支撑结构设计与动力学分析

为了减小卫星平台的随机振动对空间相机像质的影响,为空间相机的镜筒设计了一套柔性支撑结构,并对柔性结构的动力学特性进行了深入研究.首先,在镜筒及其支座之间放置2mm厚的橡胶环,使镜筒和支撑之间形成柔性连接.然后,应用参数识别的方法对柔性支撑的迟滞阻尼特性进行分析,得到其刚度系数和阻尼系数随频率变化的公式.最后,使用拉格朗日法建立整个系统的动力学方程,得到镜筒质心位置位移和转角随频率变化的曲线.动力学分析结果表明:当振动频率大于663Hz时,位移传递率小于0.6;当频率大于974Hz时,转角变化范围在(0.046±0.050)°之间;满足设计要求.柔性支撑结构对高频振动抑制效果显著,可以为空间相机提供一个稳定的工作环境.     

空间相机碳纤维桁架导热增强设计

由于空间相机桁架结构常用的碳纤维复合材料热导率较低,从而导致结构内部易形成较大温度梯度。本文提出通过在碳纤维复合材料表面附着铜网和粘贴铝膜,以实现某空间相机桁架结构的导热增强设计。首先,建立了碳纤维复合材料热导率模型。然后,针对碳纤维复合材料平板表面附着铜网/粘贴铝膜的结构特点,建立了平板的传热模型,并对未经处理的碳纤维复合材料平板以及在其表面分别粘贴0.05mm和0.5mm铝膜、附着等效直径为0.08mm铜网4种不同状态进行了热分析。接着,通过试验测试获得了不同状态平板结构的等效热导率。试验结果表明,表面附着铜网/粘贴铝膜可以使面内等效热导率得到不同程度的改善。其中,在碳纤维复合材料平板表面粘贴0.5mm铝膜效果最好,其可使结构的等效热导率提升至41.3 W/(m·K)。最后,根据试验所得结构等效热导率,对某空间相机碳纤维桁架进行了热设计。桁架结构热分析结果表明,单根桁架杆的轴向温差已由6.8℃减小为0.8℃,桁架结构温度均匀性得到显著改善。     

航空遥感相机扫描反射镜支撑技术

从保证扫描反射镜成像质量及功能的角度出发,介绍了扫描反射镜及其支撑结构材料的选取原则;探讨了扫描反射镜的支撑方式,以及各种支撑方式的适用范围;针对面型精度要求较高的反射镜,提出了柔性支撑结构的设计思想.通过CAD/CAE工程分析软件,在各种情况下,对采用柔性支撑结构前后的反射镜组件进行分析,由有限元模型变形情况的对比分析,可以验证此种柔性支撑结构的有效性.最终通过相机的外场试验,由相机的成像质量确定了反射镜支撑结构的可靠性.     

全景式航空相机扫描反射镜及支撑结构设计

扫描反射镜是航空相机光路转折、像移补偿和自准直调焦的关键部件,扫描反射镜及其支撑结构的设计水平对航空相机的性能有重要影响。以某全景式航空相机为例,在总结了扫描反射镜尺寸、轻量化结构、柔性支撑结构的一般设计方法基础上,设计了三角形和四边形轻量化孔组合形式的扫描反射镜结构,并提出了一种背部三点柔性支撑结构形式,经验证可以满足设计指标中对反射镜面型精度的要求。     

空间相机外遮光罩结构设计与优化

本文介绍了某空间相机外遮光罩的结构及其特点,选择以碳纤维复合材料和钛合金为主要材料进行了结构设计。探讨了基于有限元法的结构优化设计的理论和方法并对该外遮光罩进行了优化设计,以外遮光罩质量最轻为优化目标,选择遮光罩的径向厚度和光阑厚度为优化目标,以基频和自重变形为约束条件,进行了最优化分析。优化结果表明,在保证外遮光罩基频基本不变的情况下,相机外遮光罩的质量由7.2kg减少到4.4kg,减少了38.9%。最后用有限元法对优化结果进行了静力学和动力学校核,结果比较理想,满足设计要求,已经应用于生产。     

空间遥感相机支架结构的动态特性分析及优化

以相机及其支架结构的整体系统为研究对象，针对支架结构，采用ＣＡＥ的建模和仿真手段探讨了系统的动态特性；对发射过程及工作状态中各种机械载荷的激励作用下的位移的应力响应进行了模拟仿真，对原有设计方案中支架的结构、材料和阻尼等参数进行了改进；在对设计方案可行性评价的基础上，进行了优化设计；为空间相机支架结构的实际工程设计提供了一定的参考及依据。     

大型离轴三反相机桁架式主支撑结构设计与优化

根据大型离轴三反空间相机的特点,研究了其主支撑结构的形式。应用Rayleigh法推导了桁架式主支撑结构的基频计算公式,分析了桁架杆间夹角对其基频的影响,并以此为基础研究了其优化方法和过程。据此设计并优化了某预研空间相机的桁架式主支撑结构,其基频达到146Hz,表明本研究对大型离轴三反空间相机主支撑结构的设计具有一定的指导意义。以上研究已成功应用于某预研相机的样机研制中。     

小卫星空间跟踪遥感相机二维摆镜组件优化设计

根据某空间跟踪遥感相机光学系统特性和工作指标要求,为了达到节约空间、保证相机成像质量的目的,设计了一种适用于小卫星平台的二维摆镜,并对口径为300 mm的空间相机用摆镜进行了轻量化设计。以镜体厚度、切角大小、边缘厚度、镜面厚度及轻量化筋的厚度为设计变量,以面形峰值PV不大于63 nm和均值方根RMS不大于12 nm为边界条件进行了优化,针对单点支撑孔径的参数设计提出了一种将质量、面形峰值PV和均值方根RMS在一定平衡下尽可能小的多目标优化方法。最终优化的反射镜质量仅为0.84 kg,轻量化率达到76%。单点柔性支撑结构采用3个相隔120°布置的回形梁作为柔性铰链,与镜座采用一体化设计,结构简单,减少了摆镜组件的转动惯量,提高跟踪相机的响应度。对优化后的摆镜组件进行空间环境校核,摆镜在空间XY微重力工况下的面形RMS值小于6 nm,Z向重力、-50℃载荷及3.5 rad/s旋转惯性载荷条件下的面形RMS均小于12 nm,组件基频为326 Hz,最后对面形精度和摆镜定位精度进行了实验验证,证明了该方案的可行性。