大口径长焦距相机主次镜支撑结构方案初步研究

随着航天技术的迅猛发展,为了实现高分辨率的对地观测,大口径、长焦距的空间相机已成为发展趋势。连接相机主镜和次镜的支撑结构,很大程度上影响相机的成像性能和稳定性,是光学系统的敏感环节。为了得到更好的成像品质,文章选择了筒式、三杆式与桁架式这3种支撑方案作为研究对象,通过工程分析软件对每种结构的设计参数进行优化并进行有限元分析,通过对结构的力学稳定性、热稳定性以及质量等因素的综合考虑,最终选择桁架式支撑结构为最优方案,更适合于大口径、长焦距相机的发展趋势,并提出了该种结构进一步优化的空间与方向。     

地球静止轨道遥感相机一体化设计

文章针对地球静止轨道遥感器设计需求,运用光机热集成设计的方法对相机进行了一体化设计。通过复合支撑方法实现了大口径Si C主镜的高稳定性支撑,保证了反射镜面形的稳定性;相机主体结构在兼顾双通道集成支撑与装调基础上,通过优化设计,保证了相机结构的高刚度、高稳定性;相机的隔振系统针对卫星基频进行了解耦设计,保证相机镜头的安全性;相机遮光罩通过结构及热控一体化设计,有效降低了热控功耗;相机整机力学试验及真空热试验的MTF测试结果表明,相机主体具有较高的稳定性。     

敏捷型遥感卫星相机热防护门应用研究

针对敏捷型遥感卫星相机变化的外热流,以及热防护门(简称热门)对相机热设计产生的影响,建立带热门的相机热模型,采用Thermal Desktop软件对带热门相机在轨飞行期间的温度变化进行仿真。仿真结果表明,使用热门将大幅降低相机的主动加热功率。对热门开启后相机的最长成像时间进行分析,热门开启后6min,相机次镜支撑组件无法满足相机热设计要求,可在次镜安装板背部包覆多层隔热材料解决这一问题。文章的研究结果,对遥感卫星热门与热控系统的耦合设计具有一定的参考价值。     

空间相机结构设计中的拓扑优化及尺寸优化

在复杂的整机力学环境下,以空间遥感相机支架最大自由模态为优化目标,将整机关键技术指标(基频、轻量化要求、自重变形要求等)作为约束条件,利用拓扑优化及尺寸优化技术,对某相机支架进行了优化设计。试验结果表明该方法能有效提高相机基频,相机支架实现了轻量化设计,质量减轻10%,验证了拓扑优化及尺寸优化技术在空间相机结构设计中的有效性。     

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。     

风洞模型支撑机构有限元模型修正与确认

风洞模型支撑机构有限元建模对预测风洞试验中的结构动力学响应至关重要。然而采用模态试验修正有限元模型需要多轮迭代优化,随着修正参数的增多,数值优化耗时将呈指数化增长。为解决上述问题,联合ABAQUS、MATLAB搭建iSIGHT结构有限元模型修正平台,基于此平台开展某模型支撑机构有限元动力学模型修正,根据试验设计变量对响应的贡献量,筛选灵敏度较高的修正变量;构建前4阶频率差和振型相关性为多目标函数,使用近似建模得到修正变量和目标函数的响应面模型,采用多目标优化方法NSGA-II开展模型修正;修正后的模型前4阶频率差均在10%以内,振型相关性均大于0.8。对修正模型开展动力学响应确认,使用结构模态动力学响应与锤击试验响应作对比,结果显示,修正模型满足工程需求,可用作下一步复杂载荷作用下的结构动力学响应预测。     

空间相机隔振系统的优化方法

为了减小卫星发射和在轨阶段的振动对空间相机成像品质的影响,文章对空间相机隔振系统的建模和优化方法进行了研究。使用复刚度模型表示隔振器,用拉格朗日方法建立系统动力学方程。选用了系统质心位置的加速度和转角的均方根值作为目标函数,采用多目标优化算法NSGA-Ⅱ在随机振动条件下对隔振系统的进行优化。优化结果给出了隔振系统的刚度系数和耗散系数的最优解集。根据某空间遥感器的实例计算出一组最优隔振器参数,验证了这种优化方法的可行性。这个最优解的集合可以作为隔振系统结构选型和初始设计的输入条件,提高隔振器前期优化设计的效率和计算的准确性。     

空间多载荷高精度拼接支撑结构的优化设计

针对遥感卫星在多载荷高精度拼接扩大幅宽时需保证成像质量的要求,考虑多载荷之间的耦合,对支撑结构进行空间布局优化以及结构/热控一体化设计.应用改进的Heaviside密度滤波拓扑优化方法获取最优结构/热控的材料分布形式,结合多目标遗传算法进行详细优化设计,获取支撑结构质量、一阶固有频率和载荷安装面面形精度的Pareto前...     

空间遥感器指向镜支撑结构形式综述

空间遥感器指向镜支撑结构是指向镜的重要部分,用于维持指向镜位置并提供一维转动自由度,其结构形式的选择和设计对指向镜的功能具有重要影响。文章针对指向镜在轨微重力、存在转动的使用条件和温度变化大的环境特点,调研并总结了背部支撑、侧面支撑、周边支撑3类主要的支撑结构形式,分析了支撑结构设计的精密热设计和粘接技术等关键技术。在指向镜支撑结构设计时建议采用非传统的新型方案设计和模块化设计。     

基于小波包分析的空间相机光机结构损伤仿真分析

空间相机在发射的主动段需要经历振动、冲击等严酷的综合力学环境作用,这些环境因素对其结构稳定性和可靠性有着重要影响,因此在其发射之前需要进行严格的振动试验以保证其结构的稳定性和可靠性。随着光学遥感相机轻量化和分辨率的不断提高,依靠遥感相机振动试验的频漂评价方法已无法快速确定结构损伤位置,文章探索采用频率响应分析和小波包分析相结合的方法快速识别遥感相机光机结构损伤。首先采用有限元分析软件完成某型号经典三反同轴空间相机的建模,然后模拟了该相机在损伤工况下的振动情况,再通过Matlab软件对仿真分析数据进行处理。通过数据仿真验证采用小波包分析方法进行故障识别分析的可行性,为后续振动试验中的损伤分析和定位提供了参考。     

空间梁板结构可靠性优化的全局最优解

基于可靠性分析理论,用改进的一次二阶矩法给出了空间梁板结构安全余量对各设计变量敏度分析的表达式,由PNET法给出了结构系统可靠性函数对设计变量的一、二阶敏度表达式,以及Hessian矩阵中各元素的具体形式,据此能确定结构系统可靠性函数的凸凹性,为判断基于结构系统可靠性优化所得解是否为全局最优解提供了理论基础。算例表明,对空间梁板结构系统基于可靠性的结构优化问题,可靠性指标合理的解多为全局最优解。     

小型辐射定标光学系统的光机热集成分析

卫星遥感器辐射定标光机系统在模拟空间环境下的热学光学特性会影响辐射定标试验的精度。文章针对离轴抛物镜和辅助平面反射镜组成的小型定标光学系统,利用光机热集成分析技术建立其有限元模型,在模拟空间环境下进行热变形分析;选用在单位圆内正交的Zernike多项式作为基底函数,采用最小二乘法完成了离轴抛物镜面形的拟合;将相关数据读入光学软件,分析了该系统在模拟空间环境下的像质变化。结果表明:温度梯度对定标光机系统的影响主要表现在光学平台的刚性位移,对抛物镜面形影响非常小,光学系统像质变化量约为λ/37。最后,通过与刀口仪法的像质原位测量结果对比,证明了光机热集成分析结果的准确性。     

脉冲展开式飞网质量分布与展开稳定性优化

针对脉冲展开式飞网的展开稳定性问题，从网面质量分布角度开展研究。首先基于传递矩阵方法、集中质量法和反比例函数推导建立了较优的网面质量分布模型。然后结合遗传算法优化得到了网面最优的质量分布状态，并通过大量数值仿真和回归分析得到了网面质量分布经验公式。提出的网面质量分布模型有效降低了网面质量分布问题中的优化变量个数，提升了网面质量分布最优解的求解效率。网面质量分布最优解所对应的网面展开稳定性得到大幅提升，网面质量分布经验公式对应的网面展开状态与最优解对应的网面展开状态基本一致。结果表明，将网面质量分布模型和网面质量分布经验公式应用到脉冲展开式飞网将有效提升飞网的展开稳定性。     

基于等几何分析的板壳结构形状拓扑协同优化

板壳结构轻量化设计是工程中的常见问题，采用有限元法对板壳结构进行拓扑优化时，难以获得高质量的网格以精准描述几何模型，且单独使用拓扑优化受制于初始设计空间。提出了一种基于等几何分析的形状拓扑协同优化方法，该方法执行先形状优化、后拓扑优化的步骤，在最佳结构形状的基础上实现最佳材料布局的优化目标。相比于其他组合形式的优化机制，极大地提高了计算精度与计算效率。采用3个数值算例验证了本方法的有效性与高效性，结果表明，与经典等几何拓扑优化方法相比，可得到更高性能的优化结构，有助于进一步拓宽结构优化的应用范围。     

降低热变形的卫星有效载荷安装结构优化设计

在整星有限元热变形分析基础上,以有效载荷安装结构热变形最小为目标,对安装结构依次进行拓扑优化及设计敏度分析和尺寸优化。结果表明：通过优化设计,在显著降低该结构热变形的同时大幅减小其质量;拓扑优化给出结构基本构型,尺寸优化进一步细化结构设计方案,二者结合能有效改进结构设计。     

轴系回转轴线指向误差测量方法

回转轴线指向误差是扫描机构的重要性能指标之一,对遥感成像质量有明显影响。针对回转轴线无法直接精确测量的问题,提出了基于平面反射镜、电子自准直仪的测量系统。在详细分析平面反射镜法线与回转轴线间关系的基础上,对测得的镜面法线指向数据进行傅里叶级数展开,通过零次项去除和一次谐波分量误差分离处理,得到真实的回转轴线指向误差。利用该方法对某扫描轴系实物进行了测量,结果表明:该方法测得的回转轴线误差为39″,满足系统的指标要求,相对于常规处理方法在精度和准确度上有所提高。     

空间低温杜瓦瓶凯夫拉支撑结构多约束优化设计

采用新型凯夫拉纤维作为某空间用小型低温杜瓦瓶的支撑材料，在验证其力学性能的基础上，设计了杜瓦瓶的支撑结构，建立了一种新的热力学耦合优化模型，给出支撑结构固有频率、热应力及发射环境下的约束条件，通过一种“离散点加密”新约束优化法计算出了支撑结构满足约束条件范围内的要求的最优设计参数。     

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。