轻型空间相机碳纤维桁架支撑技术研究

发布时间：2020-05-30 14:28

【摘要】：随着航天产业的持续发展,遥感技术在国民经济的各行各业都得到了广泛地应用。空间对地观测是获取地面信息的重要手段,其基本方式是利用空间遥感相机对地成像,以得到清晰、直观的图像信息。同时,空间遥感相机的地物分辨率也由以往的几十米、几米,发展到如今的亚米级精度,因此也对空间相机的各项指标提出了更为严苛的要求。相机在发射过程中会受到复杂力学环境(冲击、振动、过载等)的影响,桁架(本文所述桁架为相机主、次镜之间的支撑结构)是空间相机主要光学元件之间的支撑结构,须具备良好的强度、刚度以及结构稳定性等指标,从而确保光学元件之间的位置关系,保证相机的成像质量。碳纤维复合材料(CFRP,Carbon Fibre Reinforced Plastics)与传统的金属材料相比,具有密度小、比强度高、比刚度大、热稳定性好等物理与力学属性,因此CFRP结构件在空间遥感器中得到了较为广泛地应用。本文针对某型号商业卫星光学载荷的具体需求(相机总质量小于25kg、凝视视频或推扫成像模式、带校正镜的R-C光学系统、地物分辨率优于0.9m、幅宽大于22.5km),对轻型空间相机CFRP桁架支撑技术进行了深入研究:对桁架式主承力结构形式进行对比分析,选择结构形式简单的三杆式桁架支撑结构。基于Optistruct求解器,以桁架基频最大为优化目标,对桁架结构分别进行角度优化、拓扑优化(SIMP,各向正交惩罚材料密度法)、尺寸优化(自由形状优化技术)设计。根据优化设计结果,结合金属结构件、复合材料结构件的加工工艺,对桁架结构进行了详细设计,得到满足设计指标要求的桁架设计方案。桁架最大外圆直径为Φ430mm,高度为476mm,总质量小于2.2kg。桁架杆与桁架轴线的夹角为16.3°,次镜室与支撑环的直径比为1:2.9。其中,桁架杆横截面为回字形,支撑环横截面为凹字形,并在支撑环圆周上循环对称布置9个加强筋。层压板铺层的方向、铺放顺序、层数等需要考虑工件所处的外部环境(力、热载荷等),根据外部载荷的具体情况,来设计结构件的铺层方式。介绍了经典层压板理论及其在复合材料结构件设计时的应用。基于Optistruct求解器,以基频最大为优化目标对桁架杆、支撑环分别进行了铺层优化设计,得到桁架杆的最优铺层为[±12°]_70°、支撑环的最优铺层为[0°/90°/45°/-45°/0°]_6。最后确定了桁架杆、支撑环皆采用模压成形工艺。为了提前考察桁架支撑结构的强度、刚度、热稳定性等相关指标特性,基于Hypermesh/Patran/Nastran等有限元分析软件,对桁架进行了虚拟试验研究:静力学分析表明,桁架的自重变形以及在次镜组件重力作用下的变形均优于4.21″,满足优于10″的精度指标要求,具有良好的刚度特性;动力学分析表明,桁架的一阶基频为181.2Hz,显著高于100Hz,可以有效地避免桁架在发射的过程中发生共振现象,正弦分析、随机分析的加速度响应合理,说明桁架具有良好的强度、动态刚度指标;温升分析表明,次镜柔性支撑处的变形小于3.16μm,故可以确保空间相机主、次镜之间的相对位置关系,进而保证相机的成像质量。对桁架进行了静力学、动力学以及结构稳定性等方面的试验研究:静力学试验表明,桁架组件的自重变形在0.90″～4.32″之间,均值为2.28″,桁架在次镜组件重力作用下的变形在1.26″～5.40″之间,均值为3.37″,略高于桁架组件的自重变形,与虚拟试验静力学分析结果(2.57″、3.53″)基本吻合,说明桁架组件结构设计合理,具有良好的刚度特性;动力学试验表明,桁架在X、Y、Z三个方向上的基频分别为179.9Hz、179.9Hz、598.3Hz,与虚拟试验动力学分析结果(181.2Hz、181.2Hz、638.0Hz)基本吻合,误差分别为0.7%、0.7%、6.6%,可以有效地避免共振现象,正弦振动、随机振动的加速度响应合理,说明桁架具有良好的强度、动态刚度等指标特性,可以抵御空间相机在发射过程中受到的复杂力学环境的影响;同时在振动试验前后,分别对桁架在次镜组件重力作用下的变形进行了测量,水平角、俯仰角的变化量均优于3.99″,说明桁架具有良好的结构稳定性,可以确保相机主、次镜之间的相对位置关系,进而保证空间相机的成像质量。实际加工得到的桁架组件总质量为2.14kg,是金属桁架质量的1/3～1/2倍左右,具有良好的强度、刚度以及结构稳定性等指标特性,可以抵御空间相机在发射过程中受到的复杂力学环境的影响,确保相机主、次镜之间的位置关系,保证相机的成像质量。为我国轻型空间相机CFRP桁架支撑技术的研制工作,提供了重要的借鉴意义。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V445.8;V414.2

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