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空间相机主支撑结构研制综述
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空间相机主支撑结构是空间相机的关键部件之一,主要作用是按照相机光学系统设计要求的相互位置关系精确支撑各光学元件及成像器件,同时还要安装或固定其它一些功能组件,例如热控多层、信号处理模块、光阑等。在进行空间相机主结构设计时,必须考虑以下设计指标。
1)刚度在发射阶段,相机要经受火箭点火、关机,主动段飞行时的加速度过载、低频稳态振动和随机振动,星箭分离时的瞬态冲击等严酷力学环境,因此相机必须具有足够高的固有频率(即刚度),以避免与运载器(或卫星)的共振破坏;另外,在轨运行阶段,相机工作在微重力环境下,由约束状态到自由状态的变化将导致结构变形,高刚度能保证相机在重力释放下,相机结构变形较小。
2)尺寸稳定性当外部环境(包括温度、湿度等)发生变化时,相机主结构必须保持各光学元件及成像器件相对位置的变化在公差设计要求范围内。
3)重量优化相机主结构设计方案,可以有效节省相机重量,进而节省卫星资源、降低发射成本。针对某空间相机的技术指标要求及光学系统设计,进行了相机主支撑结构的设计。分析结果表明:相机的主结构设计是合理的,能够满足相机总体技术指标要求。
1空问相机光学系统设计
依据技术指标要求,综合比较之后…,相机光学系统设计采用一次成像离轴三反光学系统,相机孔径光阑前设置一维指向镜,使相机具有侧摆成像能力。光学系统结构如图1所示,光学系统参数如表2所示。
2空间相机主结构设计
空间相机的主结构形式一般可分为整体式结构和桁架式结构两种J。整体式结构一般采用金属铸造或复合材料成型,在中、小型空间相机中应用较为广泛,主要优点是技术比较成熟、工艺性较好;而桁架式结构与前者相比有更好的比刚度,质量较小,一般应用在大口径、长焦距的大型空间相机上,如哈勃天文望远镜等。本相机采用离轴三反的光学系统,焦距较短,为1.04m,整体尺寸不大,因此主结构采用薄壁整体式框架结构设计。
2.1相机主结构设计
相机主结构设计形式如图2所示,采用整体式铸造结构,各面基础壁厚及筋厚为3mil,根据有限元优化分析结果对主要受力的筋及壁进行了加厚。为了降低由于安装、卫星结构热变形等引起的相机结构变形,相机与卫星的机械接口采用运动学机械安装接口l4J,接IZl组件的三维模型如图3所示该种运动学机械安装接口的设计基于双脚架挠性结构设计原理,在这种安装结构设计中,相机本体通过三个双脚架组件固定到卫星本体上。双脚架的每一个挠性装置等效于一个双臂铰链或十字形挠性装置,可以避免力矩耦合到相机结构上;双脚架挠性安装结构的另一个优点是具有较高的刚度。
2.2相机主框架材料选择
目前常见的空间结构材料有:铝、钛、镁、殷钢以及碳纤复合材料等,这些传统材料在航天应用比较广泛,铸造(或成型)工艺、加工工艺也比较成熟,但这些材料在具体应用时也各有一些缺点,例如钛合金材料密度较大,碳纤复合材料湿膨胀系数较大等。硼铝合金是新近开发出的航天材料。这种材料的密度接近铝合金,弹性模量接近钛合金,热导率高出钛合金近20倍,是非常好的主支撑结构材料。综合比较之后,相机的主框架结构材料选择硼铝合金。
3有限元分析
释放和环境温度变化工况分析结果表明,相机结构设计能够满足各光学元件的形位精度要求,RMS<1/50h(=632.8nm),说明相机结构设计是合理的,整体结构对称性好,选取材料的物理特性匹配。整机结构有限元模型、第一阶模态振型及y向重力释放与温升耦合作用下的变形情况如图5一图8所示。为验证相机结构设计,采用有限元建模软件Patran和求解器Nastran对相机整体结构进行固有模态、重力释放及重力释放与环境温度变化耦合作用下的分析计算,并进行优化设计,最终计算结果如表2、表3和表4所示。从模态分析结果可以看出,相机整体结构的模态频率满足卫星总体的指标要求(85.58Hz横向频率大于整星横向二阶频率),相机动态刚度足够高,表明整机结构与卫星结构不会发生振动耦合;重力释放和环境温度变化工况分析结果表明,相机结构设计能够满足各光学元件的形位精度要求,RMS<1/50h(=632.8nm),说明相机结构设计是合理的,整体结构对称性好,选取材料的物理特性匹配。整机结构有限元模型、第一阶模态振型及y向重力释放与温升耦合作用下的变形情况如图5一图8所示。
4结论
针对某空间相机的技术指标要求和光学系统设计,进行了相机的主支撑结构设计。有限元分析结果表明:相机的主结构设计是合理的,硼铝合金材料主框架能够满足相机对整机结构静态刚度、动态刚度、热稳定性、重量等要求,双脚架柔性机械接口能够有效抑制卫星平台结构变形对相机主结构的扭曲作用,目前硼铝合金材料主框架和双脚架柔性机械接口这两种技术已经在航天工程项目中得到实际应用。
