模块化抛物面折展机构设计与优化

抛物面天线作为卫星上重要的功能组件，是实现遥感测量和无线通信等功能的基础。为了解决模块化抛物面天线折展机构构型设计与刚度匹配困难的问题，提出一种基于剪刀机构的肋单元折展机构的构型方法，并设计了肋单元折展机构。通过运动学分析，验证了该机构通过参数的修改，可以实现同一折展机构展开状态包络不同抛物面拟合球面。给出一种包络锥法实现多模块折展机构展开过程的求解思路，为可转动肋单元的运动副配置提供依据。构建多模块折展机构的有限元模型，以提高固有频率和降低整体质量为优化目标，对肋单元折展机构的构型参数进行优化。采用非劣排序遗传算法完成优化迭代计算,得到具有高刚度、轻量化的折展机构设计参数，在相同条件下优化后调和平均固有频率提高了67.4%，天线整体质量下降了35.2%。     

GEO卫星相机外遮光罩的设计方法

针对太阳规避模式下相机最小太阳规避角及相机视场大导致遮光罩尺寸超出火箭整流罩可用包络的问题,研究了基于非成像时长和偏航姿态调整方案的相机遮光罩最小太阳规避角算法,提出了三块挡光板构型和圆形外遮光罩构型的方程建模及上沿优化方法,并针对典型工况仿真设计出了具有同等太阳规避效果的多种斜切外遮光罩构型。经Pro/E软件建模及阴影分析表明,在各工况下,外遮光罩与内遮光罩对内遮光罩底部的遮挡比例达到100%,也即太阳无法直射内遮光罩底部,验证了外遮光罩方程建模及上沿优化方法的正确性,并实现了以传统圆筒外遮光罩1/3的面积规避太阳直射相机内部的效果。     

高精度星敏感器遮光罩柔性支撑结构设计与分析

根据柔性单元的应用特点及高精度星敏感器遮光罩组件的构型特点,选用叶簧结构作为遮光罩柔性支撑结构的主体形式.通过分析支撑结构长度、宽度和厚度尺寸对弯曲刚度的影响,确定主要变量并展开优化设计.通过仿真验证设计结果在刚度和强度上均满足要求,法兰结构在遮光罩采用柔性支撑设计条件下产生的形变是刚性支撑设计的2. 14%.结果表明遮光罩柔性支撑结构设计合理有效,满足空间应用要求,可作为高精度星敏感器热稳定性设计优化的重要方法.     

展开式薄膜遮光罩设计及重复展开精度研究

针对星敏感器的杂光抑制需求，设计了一种可以实现轴向展开的圆柱状展开式薄膜遮光罩，包括充气支撑管、薄膜蒙皮和挡光环，并完成了各构件的结构和材料设计。建立了薄膜蒙皮的运动学模型，分析了构型随着二面角的变化情况，验证了薄膜蒙皮采用hexagonal折纸样式可以完全折叠和展开。通过试验研究了遮光罩的重复展开精度，包括轴向和径向展开精度等。研制了遮光罩原理样机，并开展了地面展开试验，表明在充气支撑管的驱动下能够顺利展开，为大尺寸遮光罩的工程应用提供了新的技术方案。     

双级螺旋式重复折展锁解太阳翼设计与展开特性分析

提出了双级螺旋式重复折展锁解太阳翼, 通过分析其工作原理, 根据双级螺旋式重复折展锁解太阳翼设计需求, 完成了其功能分析以及技术参数和结构尺寸的确定. 通过双级螺旋式重复折展锁解太阳翼展开特性分析, 研究了重复折展锁解太阳翼运动传递关系, 建立了其展开运动特性分析模型, 包括正运动学和逆运动学模型. 利用仿真求解计算获取获得了太阳翼各基板展开的同步度与平面度值. 仿真结果表明, 所提出的双级螺旋式重复折展锁解太阳翼满足设计指标要求, 为其进一步研究提供了重要理论依据.      

一种实现光学隐身的卫星构型设计

目前对地球同步轨道(GEO)空间目标的探测和识别,主要依赖光学监视系统接收其反射的太阳光线.鉴于可见光反射原理,和空间目标可见光反射特性计算模型,提出光学隐身卫星设计策略,分别对卫星平台构型、太阳能帆板、半球形遮光罩进行设计,对整星外形进行仿真分析,最后提出分布式卫星的构想.结果表明,该卫星构型光学横截面积峰值达到0.082 m~2,该构型设计具有较高的隐蔽性,不易被光学监视系统探测识别.     

大视场红外星敏感器折反式光学系统设计

星敏感器是以恒星为探测对象的高精度空间姿态测量装置,广泛应用于卫星、航天飞机、导弹等必备的高精度姿态敏感部件。为了实现在特定环境要求下的精确应用,本文设计了可应用于近红外波长的红外光学系统。首先,根据既定的参数进行了初始结构的选型,并对马克苏托夫望远镜的形式进行了改进。然后,对设计结果进行了探测性能分析。随后对设计好的系统进行了公差分析及优化,使它能满足加工装配需求。最后,为光学系统设计了遮光罩,进行了杂散光分析。设计与分析结果表明：该探测光学系统折反射镜全表面采用球面,系统总长171.2mm,全视场14μm包围能量分布均在86%以上,0.8视场内最大畸变小于4μm。该系统视场大、结构紧凑、装调难度低、探测灵敏度高、探测范围广、温度适应性强,可在0.8～1.9μm近红外波段的宽光谱范围内进行高精度目标检测的准确检测。     

交会对接光学成像敏感器遮光罩设计

遮光罩是交会对接光学成像敏感器中杂光抑制的重要组件,对有效提取目标点信息、保证敏感器定姿精度有重要作用.着重阐述了基于蒙特卡洛法的交会对接光学成像敏感器遮光罩设计,借助光学仿真软件进行仿真验证,并通过与试验结果进行对比,验证了遮光罩设计的有效性.     

厚板三浦折展机构的几何设计与运动分析

空间折展机构与一般运动机构不同,其对构件的几何形貌有着严格的要求。基于厚板折纸理论构造出两种三浦厚板折展单元——Bennett机构单元和球面四杆机构单元,在保证机构可以从展开状态运动到收拢状态且不发生物理干涉的前提下,以折展单元可无限次叠加组网为设计目标,分析构件几何参数应满足的约束条件,阐述模块化组成大尺度厚板三浦折展机构的原理和过程,提出Bennett组网和混合组网两种模块扩展方式。通过建立Bennett扩展模块和球面扩展模块的运动学模型,验证两种厚板三浦折展机构的运动等价关系。研究不同几何参数对机构折展率的影响规律,提出一种根据给定折展率要求对机构进行优化设计的方法,为厚板三浦折展机构的运动特性分析和几何参数优化奠定了理论基础。     

航天器可展开薄膜遮光罩的构型设计与优化

针对当前航天器遮光罩轻量化的需求，在保证薄膜遮光罩有效面积不变的前提下，根据质量和有效面积占比设计了一款柔性平面薄膜遮光罩。以提高薄膜边缘应力的同时尽量避免有效圆面积占比减少为优化目标，对薄膜遮光罩的边缘做弧边优化设计。结果表明，当薄膜遮光罩为正六边形时，既能保证结构对称性，又能获得较低的单位有效面积占比对应质量。通过应力叠加法建立了薄膜遮光罩的应力分布模型，求出薄膜边缘应力的理论计算值。探究了弧边拱高的增加对薄膜边缘应力和有效圆面积占比的影响规律，当二者的函数曲线相交于一点时，可取为薄膜弧边的最优拱高。根据设计的薄膜遮光罩参数，搭建薄膜遮光罩的试验样机并进行展开试验。薄膜遮光罩可完全展开，薄膜边缘张紧度高，证明了薄膜遮光罩系统方案设计的可靠性，弧边设计可有效提高薄膜边缘的应力水平。     

Optomechanical optimal design configuration and analysis of glue pad bonds in lens mounting for space application

Optomechanical systems are very complex requiring a high degree of accuracy. The carrier structure of an optical system is required to maintain the position of the optical components with respect to each other within the design tolerances. The most common loads on optical systems are self-weight, due to gravity orientations, and temperature ranges, due to exposure to rapidly changing temperatures from very cold to very hot and during launch. The fixing should ensure mechanical stability and thus accurate positioning in various gravity orientations.In order to ensure reliability during a space flight mission, the optomechanical engineer must understand the requirements of the space flight environment as well as the physics of failure of the optical components themselves; this can minimize the risks of on-orbit failure.This paper focuses on the optomechanical optimal design lens mounting using glue pads bonding. The main idea of this research study is to obtain an optimal choice of the position of the glue to fix the lenses on the barrel in such a way that we obtain a configuration of the optical assembly performance with less stress.In this paper, an investigation was performed using several methods including (thermo-elastic analysis, the margin of safety and lens distortion analysis). The results show that the position with six contacts glue pads is the best configuration compared to other configurations. This solution can be very helpful for decision-makers and optical engineers during the development phases of space optomechanical systems.     

空间遥感器中心筒式主支撑结构设计与仿真

针对某高分辨型光学成像载荷,从光学系统指标和结构稳定性要求出发,设计了一种具有加强结构的中心筒式主支撑结构。在空间遥感器的结构形式和光学系统指标要求的基础上,确定了给出了中心筒式主支撑结构的构型方案和材料。根据临界应力理论,计算并分析了结构的失稳强度。通过尺寸优化,保证了结构的基频和位置精度最优的同时相机得以大幅度减重。分析了中心筒式主支撑结构的静力学和动力学特性。有限元分析结果表明,结构满足光学系统公差,且具有足够的动刚度以对振动载荷抵抗性良好。     

空间充气薄膜衍射成像结构的热力耦合分析

随着空间光学技术的发展,衍射成像系统成为空间光学领域的研究热点。提出了一种充气薄膜衍射成像结构设计方案,针对其在空间热载荷作用下的热力耦合效应开展研究。建立了充气薄膜衍射成像结构的热力耦合顺序分析框架,基于I DEAS和ANSYS软件二次开发技术,实现了热力耦合数值分析,得到了结构在轨运行时的瞬态温度场、热应力、热变形等。分析结果表明,充气支撑结构产生了较大热变形,但最大热应力远小于聚酰亚胺薄膜材料的抗拉强度,而镜面中心处没有出现较大的热变形响应,为充气薄膜衍射成像结构的防热设计提供了技术支持。     

Form-finding analysis and optimization of cable membrane structure based on iterative correction of tension process

The current form-finding analysis of cable membrane structures does not consider the actual tensioning process, thus leading to a difference between the form-finding prestressed and tensioning working states. It will affect the morphology accuracy of membrane structures in use, especially in the field of space structures. This work proposes a form-finding optimization method based on the iterative correction of the tensioning process, which considers membrane stress and edge shape optimizations in order. The method focuses on two evaluation indices: the average membrane stress difference and the root mean square (RMS) of the position difference of the edge cables. This sequential optimization analysis is illustrated based on the examples of a sunshade structure for aerospace applications. The results show that these design requirements on the two evaluation indices can be satisfied after one membrane stress optimization and one edge shape optimization. Subsequently, the influence of the seams on the optimization analysis of tensile cable membranes is also investigated. Although seams increase the inhomogeneity of the membrane stress and edge shape difference, the proposed optimization framework based on the iterative correction of the tension process can still ensure that the design requirement can be satisfied. The work in this paper could form the basis for a high-precision study of tensile membrane structures in space.     

磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的拓扑优化设计

建立磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的有限元分析模型,对控制力矩陀螺框架结构进行模态分析,阐述了框架结构优化设计的基本思路.结合双向渐进优化算法拓扑优化理论,基于通用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言和二次开发语言,开发了连续体拓扑优化模块.以框架结构的最低阶频率值为约束条件,以框架结构质量最小为优化目标,引入名义应力的概念,建立框架结构固有振型与名义应力的关系,实现了磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的动态拓扑优化,扩展了双向渐进优化算法的应用范围.优化后的结构构型具有更为合理的质量和刚度布局,频率提高11.49%,质量减少5.65%.     

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.