空間相機主支撐結構研制綜述

導語：空間相機主支撐結構研制綜述一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

空間相機主支撐結構是空間相機的關鍵部件之一，主要作用是按照相機光學系統(tǒng)設計要求的相互位置關系精確支撐各光學元件及成像器件，同時還要安裝或固定其它一些功能組件，例如熱控多層、信號處理模塊、光闌等。在進行空間相機主結構設計時，必須考慮以下設計指標。

1)剛度在發(fā)射階段，相機要經受火箭點火、關機，主動段飛行時的加速度過載、低頻穩(wěn)態(tài)振動和隨機振動，星箭分離時的瞬態(tài)沖擊等嚴酷力學環(huán)境，因此相機必須具有足夠高的固有頻率(即剛度)，以避免與運載器(或衛(wèi)星)的共振破壞；另外，在軌運行階段，相機工作在微重力環(huán)境下，由約束狀態(tài)到自由狀態(tài)的變化將導致結構變形，高剛度能保證相機在重力釋放下，相機結構變形較小。

2)尺寸穩(wěn)定性當外部環(huán)境(包括溫度、濕度等)發(fā)生變化時，相機主結構必須保持各光學元件及成像器件相對位置的變化在公差設計要求范圍內。

3)重量優(yōu)化相機主結構設計方案，可以有效節(jié)省相機重量，進而節(jié)省衛(wèi)星資源、降低發(fā)射成本。針對某空間相機的技術指標要求及光學系統(tǒng)設計，進行了相機主支撐結構的設計。分析結果表明：相機的主結構設計是合理的，能夠滿足相機總體技術指標要求。

1空問相機光學系統(tǒng)設計

依據(jù)技術指標要求，綜合比較之后…，相機光學系統(tǒng)設計采用一次成像離軸三反光學系統(tǒng)，相機孔徑光闌前設置一維指向鏡，使相機具有側擺成像能力。光學系統(tǒng)結構如圖1所示，光學系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

2空間相機主結構設計

空間相機的主結構形式一般可分為整體式結構和桁架式結構兩種J。整體式結構一般采用金屬鑄造或復合材料成型，在中、小型空間相機中應用較為廣泛，主要優(yōu)點是技術比較成熟、工藝性較好；而桁架式結構與前者相比有更好的比剛度，質量較小，一般應用在大口徑、長焦距的大型空間相機上，如哈勃天文望遠鏡等。本相機采用離軸三反的光學系統(tǒng)，焦距較短，為1．04m，整體尺寸不大，因此主結構采用薄壁整體式框架結構設計。

2．1相機主結構設計

相機主結構設計形式如圖2所示，采用整體式鑄造結構，各面基礎壁厚及筋厚為3mil，根據(jù)有限元優(yōu)化分析結果對主要受力的筋及壁進行了加厚。為了降低由于安裝、衛(wèi)星結構熱變形等引起的相機結構變形，相機與衛(wèi)星的機械接口采用運動學機械安裝接口l4J，接IZl組件的三維模型如圖3所示該種運動學機械安裝接口的設計基于雙腳架撓性結構設計原理，在這種安裝結構設計中，相機本體通過三個雙腳架組件固定到衛(wèi)星本體上。雙腳架的每一個撓性裝置等效于一個雙臂鉸鏈或十字形撓性裝置，可以避免力矩耦合到相機結構上；雙腳架撓性安裝結構的另一個優(yōu)點是具有較高的剛度。

2．2相機主框架材料選擇

目前常見的空間結構材料有：鋁、鈦、鎂、殷鋼以及碳纖復合材料等，這些傳統(tǒng)材料在航天應用比較廣泛，鑄造(或成型)工藝、加工工藝也比較成熟，但這些材料在具體應用時也各有一些缺點，例如鈦合金材料密度較大，碳纖復合材料濕膨脹系數(shù)較大等。硼鋁合金是新近開發(fā)出的航天材料。這種材料的密度接近鋁合金，彈性模量接近鈦合金，熱導率高出鈦合金近20倍，是非常好的主支撐結構材料。綜合比較之后，相機的主框架結構材料選擇硼鋁合金。

3有限元分析

釋放和環(huán)境溫度變化工況分析結果表明，相機結構設計能夠滿足各光學元件的形位精度要求，RMS<1／50h(=632．8nm)，說明相機結構設計是合理的，整體結構對稱性好，選取材料的物理特性匹配。整機結構有限元模型、第一階模態(tài)振型及y向重力釋放與溫升耦合作用下的變形情況如圖5一圖8所示。為驗證相機結構設計，采用有限元建模軟件Patran和求解器Nastran對相機整體結構進行固有模態(tài)、重力釋放及重力釋放與環(huán)境溫度變化耦合作用下的分析計算，并進行優(yōu)化設計，最終計算結果如表2、表3和表4所示。從模態(tài)分析結果可以看出，相機整體結構的模態(tài)頻率滿足衛(wèi)星總體的指標要求(85．58Hz橫向頻率大于整星橫向二階頻率)，相機動態(tài)剛度足夠高，表明整機結構與衛(wèi)星結構不會發(fā)生振動耦合；重力釋放和環(huán)境溫度變化工況分析結果表明，相機結構設計能夠滿足各光學元件的形位精度要求，RMS<1／50h(=632．8nm)，說明相機結構設計是合理的，整體結構對稱性好，選取材料的物理特性匹配。整機結構有限元模型、第一階模態(tài)振型及y向重力釋放與溫升耦合作用下的變形情況如圖5一圖8所示。

4結論

針對某空間相機的技術指標要求和光學系統(tǒng)設計，進行了相機的主支撐結構設計。有限元分析結果表明：相機的主結構設計是合理的，硼鋁合金材料主框架能夠滿足相機對整機結構靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度、熱穩(wěn)定性、重量等要求，雙腳架柔性機械接口能夠有效抑制衛(wèi)星平臺結構變形對相機主結構的扭曲作用，目前硼鋁合金材料主框架和雙腳架柔性機械接口這兩種技術已經在航天工程項目中得到實際應用。