空间相机桁架支撑结构满应力优化设计与试验

针对空间相机桁架式支撑结构在设计过程中难以同时保证重量轻且刚度高的问题, 提出了采用满应力方法对桁架杆截面进行优化设计的思想. 以桁架杆重量最低为优化目标, 桁架杆自重变形和桁架的一阶固有频率为约束条件, 桁架杆截面的内外径为优化变量, 建立了基于满应力准则的优化模型. 经过优化, 桁架杆截面的外径为50mm, 内径40mm, 质量6.1kg, 一阶固有频率121Hz. 采用有限元法对优化结果进行模态校核和重力变形校核, 同时为检验碳纤维复合材料的热稳定性, 对桁架组件进行了热变形分析, 得到次镜的偏心和偏转均满足光学设计要求. 对优化设计出的桁架组件进行了0.2g扫频试验以及尺寸稳定性试验. 试验结果表明, 桁架组件一阶固有频率119Hz 与理论分析结果基本吻合; 在45N外力载荷和15°C均匀温升载荷的作用下, 桁架稳定性能良好, 次镜的偏心和偏转均小于5", 满足光学设计要求. 优化设计出的桁架支撑结构具有刚度高、尺寸稳定等特点, 这为实现空间相机向大口径、长焦距、轻型化方向发展奠定了研究基础.      

大型碳纤维桁架结构模态试验及特性

基于随机子空间识别方法,采用自然脉动试验研究了大尺度、轻质高强承力型碳纤维复合材料桁架结构的模态特性.基于该桁架结构本身的特点,提出了3个基本假设,结合实际应用中桁架结构的约束条件,设计了大型碳纤维复合材料桁架的模态试验方案,并对试验结果进行了详细分析,总结了其频率特性、阻尼特性及振型特点.结合锤击法试验和有限元方法,对试验结果进行对比分析,结果表明3个基本假设合理,试验方案有效,试验分析结果可靠.研究结果可应用于浮空器结构设计和健康监测.      

智能桁架振动控制的模态方法及主动杆优化配置

提出了空间智能桁架振动控制的一种模态控制方法,包括模态状态传感器的设计方法,模态致动器的设计方法,并在此基础上实现了桁架的独立模态空间控制。同时,还给出了主动杆的优化配置准则,由该准则得到的优化配置结果与振动初始条件以及控制增益的选取无关,具有较强的实用性。     

遥感相机次镜组件等效模型的研究

试验模态分析在航空航天领域结构力学的研究中得到广泛的应用,而且起到相当重要的作用。文章探讨了较易破损或是比较昂贵结构的试验模态分析方法－等效模型法。该方法是基于理论和结构灵敏度分析,研究原型与等效模型材料不同时的等效模型研制方法。这一方法被应用于某遥感相机的次镜组件的模态试验分析,得到了较好的结果。     

微纳卫星相机主承力构件轻量化设计与增材制造

针对20kg微纳遥感卫星相机主承力构件的轻量化需求,以转接环、次镜环和主背板三个主承力构件为研究对象,开展面向选区激光熔化增材制造技术的结构设计与制造关键技术研究。结果表明,设计的0.5mm折边结构具有良好的抗压缩和扭转等力学性能,在实现轻量化的同时,可显著提升构件的支撑强度。通过45°斜壁与微桁架结构,实现无辅助支撑增材制造。从能量输入、结构微调及加快热传导三个方面入手,有效解决了打印过程尖角变形难题。最终获得了质量分别为89g、87g和546g的三个轻量化主承力构件。搭载原理样机开展系统装调与地面力学试验,通过了8G重力加速度测试,实现了卫星相机大型复杂结构主承力构件的高承载和轻量化制造。     

大型挠性结构基于独立模态空间的模糊PID控制

模糊控制器对于复杂不确定系统的控制具有很强的适应性,将模糊逻辑和PID控制器结合起来用于解决一类大型挠性结构空间桁架这一复杂系统的振动控制问题;并结合结构振动常用的独立模态空间控制方法,克服大型空间桁架不能建立精确的数学模型所带来的弊端,有效地抑制了由于模态溢出或耦合产生的差拍现象。仿真结果表明这一模糊PID控制器对于高阶、非线性的大型空间桁架振动控制是有效的。     

轻型空间相机主承力基板结构拓扑优化计

针对目前轻型空间相机主承力基板在结构设计过程中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化设计思想进行设计的方案.通过建立基于变密度方法的拓扑优化设计数学模型,运用Nastran软件对相机主承力基板进行拓扑优化设计,给出了主承力基板的最优设计方案.经过拓扑优化后相机主承力基板质量从初始的36.8 kg降低到15.4 kg,轻量化程度达58.2%.采用有限元分析方法对拓扑优化的结果进行了模态分析,以验证主承力基板刚度分布是否合理.通过0.5 g扫频振动试验对有限元分析结果进行验证,振动试验结果表明,主承力基板结构一阶自然频率理论分析与试验结果偏差1.86%,充分证明理论分析结果的正确性和准确性.整个优化设计过程证明,采用拓扑优化设计方法大大提高了研制效率,增强了空间相机主承力基板结构的性能,有效降低了基板的重量,满足系统设计要求.     

基于ANSYS的桁架结构模态分析

模态分析是机械结构动力学分析的基础。采用有限单元法,利用ANSYS软件以桁架结构为例进行分析,求得桁架的自由模态参数,并通过加强筋的合理布置,增强桁架的结构刚度,提升固有频率,远离实际工作频率以防止共振。     

挠性空间结构振动的独立模态空间最优控制方法

针对大型挠性空间结构的特性,考虑在独立模态空间内进行控制,设计模态滤波器,对从物理空间采集到的模态信息进行预滤波处理;设计模态观测器,从模态加速度中获取模态位移和模态速度;其次,利用独立模态空间理论中各阶模态相互独立解耦的特性,设计了基于最优控制的独立模态空间控制器;在此基础上,考虑外部干扰信号作用下,设计了基于模态滤波器的 次优控制器,构成了一个完整的挠性空间结构闭环主动振动控制系统。对简化的桁架和单翼帆板结构振动控制进行了仿真验证,结果表明：两种控制器均能使振动得到有效抑制,相比传统比例积分微分控制器最大振幅减小约一半,且具有一定的抗干扰能力。     

“高分四号”卫星相机在轨温度分析及热设计优化

随着空间相机分辨率日益提升,对光机主体等核心部组件的温度稳定性和均匀性要求也越来越高,地球静止轨道（GEO）空间外热流复杂且恶劣,实现相机高精度热设计挑战极大。针对"高分四号"卫星相机热设计的难点和特点,基于结构热控一体化的设计理念,采取了入光口热流屏蔽、间接辐射控温、散热面耦合等热控技术,实现了相机高精度控温;分析了相机入轨4年的温度数据及符合情况,验证了相机热设计的正确性,并根据在轨运行情况提出了热设计优化建议,为进一步提升地球静止轨道相机控温精度、降低热控资源提供支撑。      

太空衍射望远镜大型桁架展开过程动力学建模

在太空衍射望远镜桁架展开过程中,各个桁架单元展开锁定的瞬间会引起构件的弹性振动,并对星体与主镜产生较大冲击。在考虑桁架各部件弹性变形的基础上,针对系统拓扑结构和约束条件的变化,对桁架展开与锁定过程建立了变拓扑的柔性多体系统动力学模型并进行了动力学数值分析。当桁架单元锁定时通过在关节处施加强力矩和阻尼来模拟锁定机构的作用。数值仿真结果表明,在锁定瞬时,桁架在纵向呈现大幅度振动,星体与主镜受到的冲击力出现峰值,且每一次峰值有差异,呈现周期性变化,这种现象是由桁架柔性部件的弹性变形引起的。研究结果对太空衍射望远镜结构设计与动力学控制提供了技术参考。     

多谱段全日面极紫外成像仪

在极紫外波段对太阳进行成像观测是研究太阳活动、日冕中等离子体物理特性的重要手段.传统极紫外成像仪或光谱仪无法同时实现高光谱分辨率和大视场的太阳成像.本文设计了一种新型太阳极紫外多谱段成像系统,采用无狭缝光栅分光方式实现了高光谱分辨率和空间分辨率的全日面成像,成像视场可达47',光谱分辨率每像素2×10-3 nm,空间分辨率每像素1.4',全日面时间分辨率优于60s.通过分析谱线的全日面成像图和系统响应,表明成像仪能大范围的观测太阳活动形态演化,为太阳物理研究和空间天气预报提供更完整的观测数据.      

空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器研究

为抑制卫星平台对天基望远镜的扰动, 需进行减振设计. 设计了一种空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器, 具有密封可靠、空间环境适应性好等特点. 根据流固耦合相关理论建立阻尼参数模型, 在此基础上实现了隔振器结构设计, 并对核心元件弹簧片进行参数优化设计, 加工制作出一套原理样机. 对该样机的刚度和阻尼性能进行了仿真分析和实验测试. 结果表明, 该隔振器的刚度特性和阻尼特性理论分析结果均与实验结果吻合较好, 说明模型较为准确, 具有工程设计指导价值.      

The ROSAT mission

A primary scientific objective of the ROSAT mission is to perform the first all-sky survey with an imaging X-ray telescope leading to an improvement in sensitivity by several orders of magnitude compared with previous surveys. A large number of new sources (? 10⁵) will be discovered and located with an accuracy of 1 arcmin or better. These will comprise almost all astronomical objects from nearby normal stars to distant quasistellar objects. After completion of the survey which will take half a year the instrument will be used for detailed observations of selected sources with respect to spatial structure, spectra and time variability. In this mode which will be open for guest observers ROSAT will provide substantial improvement over the imaging instruments of the Einstein observatory.The main ROSAT telescope consists of a fourfold nested mirror system with 83 cm aperture having three focal plane instruments. Two of them will be imaging proportional counters (0.1 – 2 keV) providing a field of view of 2°, an angular resolution of ≈ 30″ in the pointing mode and a spectral resolution ^ΔE/E ≈ 45% FWHM at 1 keV. The third focal instrument will be a high resolution imager (≈ 3″). The main ROSAT telescope will be complemented by a parallel looking Wide Field camera which extend the spectral coverage into the XUV band.     

大口径反射镜结构参数优化设计

空间光学遥感器分辨率要求的不断提高使其主镜口径也在不断增大,从而对主镜进行轻量化设计就成为空间大口径反射镜工程的关键技术。该文介绍了一种对反射镜轻量化结构进行优化设计的方法,利用MSCPatran软件建立了蜂窝夹芯反射镜的参数化模型;对反射镜的各结构参数进行了灵敏性分析,得到了各参数对反射镜面形精度的影响曲线;根据反射镜的加工工艺,合理地确定结构参数的变化范围,利用正交分解法进行参数优化。     

天基激光测距载荷单反射镜组件柔性设计与力热稳定性分析

针对激光通信与测距一体化星间链路载荷轻小型单反射镜组件进行结构设计与力热稳定性研究，开展单反镜柔性支撑机构优化设计，根据运载力学环境与在轨力热环境工况，对反射镜组件进行光机集成分析，验证光机结构的在轨力热稳定性.分析结果表明，双层圆弧形槽口柔性支撑结构在温度拉偏后反射镜的面型精度均方根（RMS）可达λ/72，基频模态为417.93Hz，满足指标要求.进一步对反射镜组件进行动力学分析，随机振动分析结果表明，反射镜加速度响应均方根为11a_rms，满足3σ准则.通过0.2g正弦扫频试验验证了有限元模态分析相对误差为2.23%，实验结果表明，反射镜组件柔性支撑设计合理，力热稳定性分析结果基本准确可靠，满足工况要求.      

天基X射线掠入射式成像望远镜发展现状

阐述了太阳X射线成像观测在空间天气预报中的地位和作用，叙述了掠入射式X射线聚焦成像的基本原理，简要介绍了在轨成功运行的天体X射线成像望远镜和太阳X射线成像望远镜的基本设计和技术指标，并介绍了国内正开发研制的专门服务于空间天气预报的太阳X射线成像望远镜基本设计和主要特点．     

A Cosmic Microscope to Probe the Universe from Present to Cosmic Dawn:Dual-element Lowfrequency Space VLBI Observatory

A space-based Very Long Baseline Interferometry (VLBI) program, named as the Cosmic Microscope, is proposed to involve dual VLBI telescopes in the space working together with giant ground-based telescopes (e.g., Square Kilometre Array, FAST, Arecibo) to image the low radio frequency Universe with the purpose of unraveling the compact structure of cosmic constituents including supermassive black holes and binaries, pulsars, astronomical masers and the underlying source, and exoplanets amongst others. The operational frequency bands are 30, 74, 330 and 1670 MHz, supporting broad science areas. The mission plans to launch two 30-m-diameter radio telescopes into 2 000 km×90 000 km elliptical orbits. The two telescopes can work in flexibly diverse modes. (i) Space-ground VLBI. The maximum space-ground baseline length is about 100 000 km; it provides a high-dynamic-range imaging capacity with unprecedented high resolutions at low frequencies (0.3 mas at 1.67 GHz and 20 mas at 30 MHz) enabling studies of exoplanets and supermassive black hole binaries (which emit nanoHz gravitational waves). (ii) Space-space single-baseline VLBI. This unique baseline enables the detection of flaring hydroxyl masers, and more precise position measurement of pulsars and radio transients at mas level. (iii) Single dish mode, where each telescope can be used to monitor transient bursts and rapidly trigger follow-up VLBI observations. The large space telescope will also contribute in measuring and constraining the total angular power spectrum from the Epoch of Reionization. In short, the Cosmic Microscope offers astronomers the opportunity to conduct novel, frontier science.