粘弹性约束阻尼在空间大口径反射镜上的应用研究

针对空间三点两脚架(Bipod)支撑大口径反射镜组件在发射阶段振动响应过大,容易导致结构强度破坏的问题,文章研究了利用粘弹性约束阻尼技术对其进行减振设计的方法。约束阻尼技术能够在不改变原有结构构型的前提下,有效降低结构的共振响应。首先,建立了反射镜组件的有限元模型,分析了反射镜组件模态应变能分布规律,确定了Bipod支撑结构的柔性环节为约束阻尼的铺敷位置。然后,通过有限元法分析比较了不同约束层材料以及约束层和阻尼层厚度对结构减振效果的影响,为粘弹性约束阻尼减振技术在大口径反射镜组件上的实际应用提供了参考。     

大长细比反射镜侧面支撑结构设计与分析

随着近几年离轴三反(Three-Mirror Anastigmat,TMA)相机在大视场高分辨率成像领域的应用,大长细比反射镜的支撑技术成为离轴TMA相机研制的关键技术之一。文章研究的反射镜尺寸达到986mm×246mm,为了使大长细比反射镜的支撑结构同时满足高刚度和高面形稳定的要求,采用理论研究和有限元分析相结合的方法设计了一种侧面柔性支撑结构。分析结果表明,反射镜组件一阶频率达到114.9Hz,在重力和2℃温变耦合下综合面形变化均方根值只有4.9nm,工艺件的力学振动试验结果和仿真分析基本吻合,反射镜支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

大口径反射镜组件发射段环境的防振设计

主反射镜组件力学性能是相机结构设计的重点。文章介绍了反射镜组件的基本构型,分析了采用Bipod支撑结构的反射镜组件振动抑制的必要性。基于阻尼受迫振动模型微分方程,分析了频率比、阻尼比对随机振动传递率的影响,根据分析结果选择增大阻尼比作为反射镜组件振动抑制方案。对某1.8m口径反射镜组件进行了抑振设计,利用MSC Nastran软件进行了动力学分析,仿真结果显示,抑振后反射镜动力学响应值及振动应力有较大降低,证明抑振设计有效。文章设计的振动抑制解决方案也可为空间遥感器其他部组件的振动抑制设计提供借鉴。     

空间遥感相机柔性装星结构设计与仿真分析

文章介绍了一种空间遥感相机自由度释放装置,该装置利用柔性铰链技术实现单方向的自由度释放,同时结合固定脚的设置和不同方向柔性铰链的设置,实现多维自由度卸载的同时保证结构整体的刚度。结合某型号空间遥感相机对该装置进行了力学振动试验和热真空、热循环试验,验证了该装置的可行性。     

多光谱相机高稳定性光机结构设计技术

文章针对测绘应用对多光谱相机设计的技术要求,从影响相机内方位元素和在轨成像品质因素出发,结合三反离轴相机的特点,重点分析多光谱相机高稳定性设计（力学和热）。多光谱相机主体反射镜通过选取零膨胀的微晶玻璃和殷钢材料,降低了反射镜的热敏感性,反射镜组件通过采用四点球铰无应力支撑技术实现了反射镜的静定支撑、消除掉了反射镜装配应力,保证了反射镜面型的稳定性。相机主体结构与卫星的连接采用柔性卸载结构设计,卸载了卫星结构由于热变形而导致的相机结构变化,保证了相机主体结构的在轨性能稳定性。通过对整个相机进行有限元分析和环境试验,有效地验证了设计的正确性,多光谱相机主体具有较好的结构稳定性。     

轻型球面反射镜面形检测支撑设计仿真分析

文章针对轻量化程度较高的SiC空间反射镜,探讨了其在重力环境下反射镜面形检测所需要的卸载支撑方法。为了使重力对反射镜面形精度的影响降低到可接受范围内,在光轴竖直时,将支撑结构对反射镜的作用简化为卸载力,优化力的数量、位置及大小,使反射镜面形精度达到近似零重力情形,并分析了反射镜水平倾斜0.5°、1°时,反射镜面形对位置误差的敏感程度;光轴水平时,在对反射镜设计支撑结构的同时,加入3点、6点辅助卸载力来降低残余重力影响,使反射镜面形接近无重力情形。通过Patran/Nastran软件建立反射镜模型并进行仿真计算,输出反射面各结点坐标值及变化量,用Matlab程序计算出反射镜面形精度,结果表明优化后的设计结果满足指标要求。     

四点球头反射镜支撑设计与分析

反射镜的支撑一直都是空间遥感相机的关键技术之一。为了能够获得较高的反射镜面形精度,文章针对离轴三反空间遥感相机,提出了一种四点球头反射镜的支撑方式。首先,在反射镜结构设计的基础上,介绍了四点球头反射镜支撑方式的原理以及支撑结构的组成;之后,对整个反射镜支撑结构中最重要的球头和支杆部分进行了详细设计;最后,使用Patran进行有限元模型前处理,使用Nastran求解,对反射镜组件的结构模态和各个工况下的反射镜面形精度进行仿真分析,得到的反射镜面形精度为1.6425nm,优于光学系统的指标要求。结果表明使用四点球头支撑方式的反射镜组件在保持较高刚度的基础上,能够获得较高的面形精度,证明了这种适用于长条型反射镜的支撑方式合理可行。     

一种航天相机微纳镜头的实现方法

为了满足航天相机微纳镜头轻小化的要求,文章提出了一种适用于微纳镜头实现的光学系统。首先,以无热化的思路设计光机结构:一方面提出了"一物多用"的超轻一体化结构形式,实现了各光学部组件的集成;另一方面采用了柔性Bipod结构形式减小了热不匹配对光学系统像质的影响,减轻了热控元件的质量。然后采用动态优化的方式进一步减轻镜头结构的质量。最后,采用光机热集成分析,对镜头在大温度范围内的像质进行了验证分析。结果表明,通过上述步骤得到的微纳镜头质量超轻,静、动态性能良好,可在–40℃～70℃范围内实现无热化,满足微纳设计的要求。     

空间相机地面装调重力卸载仿真优化方法

空间相机在地面装调过程中需要对光机结构进行重力卸载。空间相机常具有尺寸大、刚度低的特点,使得对其进行重力卸载仿真优化异常复杂。文章提出基于贪心算法结合天牛须搜索的重力卸载仿真优化方法。该方法提取系统的可行卸载点集,每次从可行卸载点集中提取1个或1组最优卸载点;以此类推,逐渐增加卸载点数,直至满足测试要求。其中,每组卸载点系的最优卸载力利用天牛须搜索法进行计算,继而可获得系统的最佳卸载策略。利用该仿真优化方法,可以智能化地进行系统全局迭代仿真分析计算,不易收敛于局部最优解,能够高效、快速地获得系统最佳卸载点系和最优卸载力。     

基于空间反射镜的点阵结构非均匀尺寸优化设计

针对空间反射镜的高轻量化率的工作条件和工作需求,将点阵结构引入到反射镜结构设计,并基于移动阈值切面法(MIST)优化设计了非均匀点阵结构.文章以小口径190mm铝合金反射镜作为研究对象,基于MIST法将点阵杆件进行了非均匀尺寸优化.首先选择点阵单胞,对于实体设计空间进行点阵单胞的填充,实现空间反射镜的均匀点阵设计;然后...     

随机振动引起空间反射镜面形退化的机理研究

为了确保遥感器能够承受发射过程中的力学环境,需要在地面对遥感器及其部组件进行充分的振动试验,随机振动试验是主要的试验方法之一。对于反射镜组件,除了需要关注常规的刚度和强度特性,还需要重点关注试验前后的面形变化。在多个型号的研制过程中,均出现过随机振动试验后反射镜组件面形发生退化的现象。因此,亟需研究随机振动试验引起的反射镜面形退化机理。文章通过对反射镜安装界面进行受力分析,研究了随机振动等效准静态加速度、连接刚度、预紧力以及摩擦力之间的关系。通过仿真分析发现横向残余应力是导致面形退化的主要因素,并给出了残余应力的估算公式。最后,结合某空间相机主镜组件的随机振动试验,验证了横向残余应力引起反射镜面形退化的机理。分析和试验结果表明,当达到产生横向残余应力的条件时,反射镜面形开始退化,横向残余应力越大,反射镜面形退化越严重。     

国外空间反射镜材料及应用分析

空间反射镜材料的选取与反射镜镜坯加工工艺直接影响光学遥感卫星的戍像能力。提高空间相机分辨率的直接途径是增大光学系统的口径,因此大口径空间反射镜的材料技术和镜坯加工技术受到了高度关注。在未来相当长的时间内,相关技术都是研究热点。文章重点研究了常用空间反射镜材料的特性,这些材料包括美国康宁公司的超低膨胀玻璃、德国肖特集团的微晶玻璃、碳化硅和碳化硅复合材料,并对熔接法、浇铸法、烧结法等常用的大口径反射镜镜坯加工方法进行了研究,调研了各类材料的实际在轨应用情况。最后根据上述材料的热膨胀系数和反射镜结构强度等特征,分析总结了这些材料的适用范围。     

ULE?叠层反射镜二维等效建模方法研究

ULE~?叠层反射镜是实现大口径、低面密度、高刚度空间反射镜的有效途径。为提高ULE~?叠层反射镜设计效率,文章基于蜂窝夹芯结构均质板等效理论,推导了叠层反射镜二维等效模型建模方法,利用有限元法计算二维等效模型自由模态频率,对比详细模型计算结果,验证等效模型计算精度,并结合设计实例验证该二维等效模型在叠层反射镜优化设计中的有效性。分析结果表明,叠层反射镜面密度大于40kg/m~2时,二维等效模型模态频率计算误差优于4%,满足优化设计精度要求。文章提出的叠层反射镜二维等效建模方法大幅缩减叠层反射镜有限元模型规模,实现叠层反射镜有限元模型高度参数化,有效提高了叠层反射镜设计效率。     

航天器舱门零重力环境模拟卸载系统设计分析

卸载系统是舱门展开试验装备的重要组成部分,重点对展开试验卸载系统进行设计与分析研究。鉴于空间舱门运行轨迹复杂,采用二维滑轨吊挂方法适应曲线展开轨迹。针对质量大、易导致支撑部件变形以及卸载困难,采用多点长距离支撑均匀分散受力。设计柔性自适应弹性吊挂,对运行过程波动进行有效缓冲,避免刚性碰撞。采用高精度数显可读式拉力传感监测系统,实现展开过程拉力在线检测。针对高卸载效率要求,采用二维可调式转接组件适应多状态舱门调平,最后实现卸载率96.31%以上。结果表明,舱门零重力环境模拟卸载系统设计方法可行,分析过程合理,满足工程应用需求。     

一种浮动锁销式柔性气浮组件的承载特性测试及分析

为在空间机构产品集成与测试中合理使用气浮组件,采用刚度试验台模拟加载的方案对一种浮动锁销式柔性气浮组件的承载特性进行测试。试验结果表明:浮动锁销式柔性气浮组件在未预压缩状态下,承载特性近似为线性弹簧压缩模型;在预压缩状态下,初始承载特性近似为刚体,承载力超过气浮组件的保持力后承载特性近似为线性弹簧压缩模型。因此,为避免气浮组件在承载过程中表现出的作用力与位移变化等特性对空间机构产品的运动特性、系统性能造成显著的附加影响,气浮组件在使用前应根据产品重力调节弹簧预压缩量,并严格控制4组可调弹簧支撑组件的制造误差;同时,在产品重力完全被卸载之前需要借助压紧释放机构或刚性支撑工装对产品进行约束。     

平行光管反射镜的支承结构

文章叙述大口径、长焦距平行光管系统的大型反射镜 (包含主镜、标准平面镜和球面镜 )的支承方式与结构的有关问题 ,分析了引起反射镜变形的原因 ,说明了结构设计时应采取的技术措施 ,介绍了 3种在实际应用中比较成功的典型结构方案和卸载机构。     

平行光管反射镜的支承结构

文章叙述大口径、长焦距平行光管系统的大型反射镜(包含主镜、标准平面镜和球面镜)的支承方式与结构的有关问题，分析了引起反射镜变形的原因，说明了结构设计时应采取的技术措施，介绍了3种在实际应用中比较成功的典型结构方案和卸载机构。     

弹-架间隙的非线性模拟与特性分析

以大长径比低速旋转火箭为例,探讨弹-架间隙非线性特性对不同发射装置系统的动力响应的影响,当飞行器以S个定心部沿发射装置滑移时,根据弹、架横向相对位移确定其定心部处接触刚度和支承特性,模拟弹-架间隙效应。分别就刚性和柔性两种发射装置,分析了间隙量、支承刚度和转速等因素对飞行器发射中的姿态和系统动力特性的影响,算例与实际情况的相吻合证明了该方法的有效性。     

垂直装调用大口径自准直反射镜系统研究

大口径、长焦距光学遥感器垂直装调过程中需要采用反射镜自准直方法测试光学系统的波前像差。文章研究了一种自准直反射镜系统,该光学系统中反射镜具备多维调整功能,利用自准直方法,可用于大口径相机的垂直装调。该自准直反射镜系统利用伺服电机驱动,实现反射镜的多自由度运动。反射镜利用一种六足杆结构实现静定支撑设计,并设计了一种随动重力卸载装置,使得镜面面形均方根误差小于1/100波长,满足使用要求。     

用于无运动部件变焦的球面变曲率镜设计及试验

将无运动部件变焦技术引入空间光学相机的设计中,能够在不干扰卫星平台工况的情况下使空间相机在通过目标区域上空时获取蕴含有目标不同层次信息的图像,从而为后续的识别、判读甚至超分辨率重建提供依据。无运动部件变焦的关键在于：基于光学杠杆效应的光学设计和可以产生较大尺度曲率变化的变曲率反射镜。目前已设计出一种无运动部件变焦原型光学系统,其中变曲率反射镜的有效口径不超过100mm,初始曲率半径为1740mm,且具备曲率增减双向变形能力。文章针对上述指标,设计了变曲率反射镜,并进行了有限元分析,利用具有高韧性、高抗拉断性以及高极限许用应力的碳纤维复合材料研制了反射镜,通过与13点高精度压电驱动器的集成,最终实现了变曲率镜的研制。试验结果表明,该球面变曲率镜可以实现1705~1760mm的曲率半径变化,对应的中心形变量接近23μm,优于国外同等规模器件所能达到的水平。