大口径空间光学遥感器的碳纤维复合材料精密支撑构件的结构稳定性研究

摘要：为了研究应用于大口径空间光学遥感器中由碳纤维复合材料（CFRP）制成的精密支撑构件的结构稳定性,设计并研制了连接在主、次镜间的CFRP连接筒。对该连接筒建立等效力学模型、计算相关参数和确定铺层的合理形式,运用有限元法对连接筒进行分析计算,通过试验验证连接筒的结构稳定性。首先,由给定的主、次镜间角度变化量计算出连接筒前端面的最大挠度,根据实际载荷情况建立等效力学模型,计算连接筒轴向弹性模量,结合复合材料层压板理论,确定碳纤维铺层的合理形式。然后,运用ANSYS软件对有限元模型进行分析,计算主、次镜间的角度变化量和支撑结构的模态分布。最后,通过量级逐增的力学试验,采用光学测量的方法测量主、次镜间角度变化量,验证CFRP连接筒的结构稳定性。试验结果表明：主、次镜间角度变化量小于10″,CFRP支撑构件一阶基频大于75Hz。CFRP支撑构件满足主、次镜间角度变化量要求,具有较好的结构稳定性。     

空间光学遥感器中碳纤维复合材料精密支撑构件的结构稳定性

为了研究应用于大口径空间光学遥感器中由碳纤维复合材料(CFRP)制成的精密支撑构件的结构稳定性,设计并研制了连接在主、次镜间的CFRP连接筒.由给定的主、次镜间角度变化量计算出连接筒前端面的最大挠度,根据实际载荷情况建立等效力学模型,计算连接筒轴向弹性模量,结合复合材料层压板理论,确定碳纤维铺层的合理形式.然后,运用ANSYS软件对有限元模型进行分析,计算主、次镜间的角度变化量和支撑结构的模态分布.最后,通过量级逐增的力学试验,采用光学测量方法测量主、次镜间角度变化量.验证CFRP连接筒的结构稳定性.实验结果显示:主、次镜间角度变化量＜10",CFRP支撑构件一阶基频＞75 Hz.CFRP支撑构件满足主、次镜间角度变化量要求,具有较好的结构稳定性.     

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.     

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。     

三线阵CCD立体测绘相机结构实现技术

分析了三线阵CCD立体测绘相机工作原理,设计了一种可工程化实施的测绘相机光机结构,此结构由3台相机互成角度装入测绘基座构成.单相机采用像方远心亚对称光学系统,由单镜组装入薄壁壳体的镜头、基于凸轮导向结构的调焦机构、基准镜和成像电器盒构成.测绘基座为测绘相机的高稳定支撑结构,采用7个筒单元、3个板单元与底座交错形成有机一体的结构形式.星敏支架为星敏感器的安装结构,采用3个简单元和一个圆锥单元相贯而成一体的结构形式.运用PATRAN/NAS-TRAN软件对测绘相机进行工程分析表明,测绘相机组合体的强度和刚度好,满足航天光学遥感器的要求.振动试验结果表明,测绘相机一阶固有频率大于100 Hz,不会与整星产生共振;通过各种环境试验后,相机间基准镜坐标系变化小于4″,测绘相机测量坐标系变化小于5″.通过在轨运行表明,测绘相机结构稳定,满足测绘精度要求.     

离轴空间遥感器主支撑结构设计

长焦距离轴三反(TMA)空间光学遥感器各光学元件的位置精度和动态稳定性与其主支撑结构相关,因此,本文研究了遥感器主支撑结构设计方案.对比分析了主支撑结构的常用形式,确定了桁架结构方案,并对其进行了材料选择和连接工艺分析.推导了三杆结构(桁架基本单元)的一阶频率解析式,并确定了其最佳形式.在初始设计的基础上,利用灵敏度分析和参数优化设计方法得到了一种24杆式主支撑结构.作为验证,对该支撑结构进行了静态翻转和动力学试验.试验结果表明,主支撑由竖直状态翻转到水平状态后,前端倾角变化小于10″,一阶固有频率为55 Hz,振动试验中支杆最大应力为135 MPa,满足各项设计指标要求.     

测绘相机光学镜简设计、加工及装配

研究了光学镜筒的设计、加工和装配.从材料选取、结构形式确定和性能分析等方面论述了测绘相机光学镜筒的设计过程,探讨了透镜支撑结构-薄壁壳体的加工方法.最后,介绍了单镜组和主镜筒的装配过程.通过比较,选取铸钛合金ZTC4作为镜筒的材料,采用单镜组加筋壳结构的组合形式,运用PATRAN/NASTRAN软件对主镜筒的分析表明其结构强度和刚度很好,可满足相机结构要求.薄壁壳体通过精密铸造,再经过车削而成,各定位阶梯内圆柱面同轴度达到0.01mm.镜简装配要点是无变形安装固定透镜、精确控制空气间隔和高精度定心.装配完成的镜头光学传递函数达到0.43(77lp/mm),满足测绘相机精度要求.     

机载光谱仪高模态主支撑结构优化

为满足机载光谱仪主支撑结构动力学特性好、质量低等需求,本文进行了主支撑结构的优化设计及试验验证。首先,针对常用结构无法适用于本系统的问题,提出了一种框架式与薄壁筒式结构相结合的总体结构形式,方便对遮光罩与结构进行一体化设计,可有效降低质量且保证刚度;其次,为提高系统模态,采用多变量集成优化方法,在满足质量要求的情况下将其模态由127Hz提高到156Hz,使其具有良好的动力学特性;然后,为确定振动环境对系统调制传递函数(MTF)的影响,通过有限元分析与灵敏度矩阵相结合的方法分析了振动环境对系统MTF影响,并通过计算得知本结构能适用于像元尺寸大于10μm的机载系统;最后,通过对主支撑结构的测振试验与整机结构的波前检测试验,验证了本文设计方法与分析过程的有效性与可行性。本文提出的优化设计方法可为机载遥感仪器结构的优化设计提供参考,将有助于推动机载遥感仪器结构设计技术的发展。     

燃烧室结构-声耦合特性研究

声振耦合影响燃烧室燃烧稳定性,加剧火焰筒薄壁结构疲劳破坏,声振耦合特性研究对燃烧室燃烧稳定性设计与结构抗疲劳设计非常必要。利用有限元软件建立燃烧室结构-声三维模型,进行燃烧室封闭结构声振耦合特性研究,计算出结构的固有频率和模态振型。通过试验,测量燃烧室声振传递函数,得到燃烧室结构声振耦合固有频率和模态振型。研究表明,声场相当于给结构增加了附加质量,降低了结构固有频率,并产生了特殊的耦合频率。试验验证了有限元计算结果的正确性,从而为燃烧室薄壁结构设计提供了参考。     

大型空间红外相机多反光学系统桁架杆框架的设计

针对大型空间红外相机对复杂支撑功能且重量小、刚度高框架的需求,本文设计了一个全部由桁架杆互相支撑形成的框架,并通过结构分析、工艺试验和力学试验验证了框架的可行性和可靠性。该框架由58根碳纤维支撑杆和21个接头组合形成相机的主支撑结构,可支撑多个周向分布的光学组件,且满足框架总质量不超过55kg的要求。介绍了框架的装调和胶接方法和步骤,进行了有限元分析和力学试验,验证了三角形封闭的桁架杆结构在黏接强度降低的情况下,仍能够在相机受力状态下具有足够的安全裕度。力学试验得到框架的一阶谐振频率为90.4 Hz,满足一阶谐振频率不低于60Hz的要求,与有限元分析结果相符。     

1.2m望远镜次镜支撑结构设计

研制了一个用于1.2m望远镜的次镜支撑结构,以满足其对刚度和伺服系统带宽的要求。首先,对影响主镜遮拦和支撑系统刚度的四翼梁进行研究。使用动力学建模方法,初选四翼梁结构的参数。然后在ANSYS中建立有限元模型,进行静力学和模态分析。最后,使用试验模态分析法测试设计的支撑结构。有限元分析显示,设计的结构受重力影响会引入0.004 2λ的切向彗差,第一阶模态频率约为57.2Hz。试验模态分析显示,系统第一阶谐振频率为54.1Hz,与理论分析和有限元分析结果一致。实验结果与仿真结果对比后显示:归一化的振型向量中叶片结构振幅较小时,实验模态较难提取,且实验结果略小于有限元分析结果,最大相对误差约为7%。设计的次镜支撑结构遮拦小、刚度好,满足使用要求。     

次镜支撑结构的力学性能分析

次镜支撑结构性能的好坏直接影响光学系统的成像质量。针对几种典型的支撑结构,利用I-DEAD软件建立有限元模型,进行动力学分析计算。在比较典型结构的基础上,改进得到了2种新型偏置结构,即三翼偏置支撑结构和新型的四翼偏置支撑结构。通过分析表明,在同等条件下,2种新型结构能更大程度地减小遮拦比,提高光学系统质量;或是说,在遮拦比一致以及偏置距离相同的条件下,2种新型支撑结构的一阶谐振频率均大于传统的四翼偏置支撑结构,稳定性能更好,更适用于大口径的光学系统。     

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。     

基于人工神经网络的某空间反射镜柔性支撑结构优化设计与分析

空间反射镜的支撑结构决定了反射镜的性能。通过有限元分析来优化支撑结构参数需要很大计算量,而且无法找到最优解。为了缩短设计周期,提出用人工神经网络来模拟反射镜组件输出特性和支撑结构参数间的非线性关系,并用MATLAB编制程序实现神经网络的建立和泛化,最终找到使反射镜输出特性最优的支撑结构参数。该方法不但能找到多变量优化的最优解,而且计算表明用神经网络泛化得到结果和有限元分析计算得到的结果相差在5%以内,精确度足以满足工程应用要求。     

1.2m微晶主镜的新型支撑

针对1.2m微晶主镜,提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案,用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。分析了该机构的工作原理,实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度,并具有热解耦能力;有限元分析确认系统具有良好的支撑性能;面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25nm,光轴水平面形精度RMS为20.75nm,模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度,分析结果与实测结果符合度较好,主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%,一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性,支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。     

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.     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

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.     

1.2m SiC主镜轻量化设计与分析

为了探索研究大口径轻量化SiC主镜的可行性,对比分析了各种主镜轻量化形式的优缺点,确定了主镜的支撑方式;然后,从理论上计算了轻量化镜体结构参数,设计了采用夹心三明治结构扇形轻量化孔形式的1.23 m SiC轻量化主镜.利用有限元方法分析了轻量化主镜在浮动支撑下的自重变形,两种工况下的面形分别为:PV=9.43 nm,RMS=2.5 nm;PV=16.7 nm,RMS=3.2 nm.分析结果表明,镜体的自重变形影响较小,可以满足要求.而由于SiC的热膨胀系数较大,热变形影响较大,在稳态温度场下,温度每相差1 ℃,镜面面形变化约为PV=40 nm,RMS=4.8 nm,说明为了达到了设计要求,必须对镜体采取热控措施.