光学遥感卫星中飞轮微振动的建模分析与隔振研究

发布时间：2020-06-27 05:17

【摘要】：光学遥感卫星在轨工作过程中,需要稳定的姿态以实现对规划区域的成像。然而用于保障整星姿态控制精度的重要执行部件——飞轮,在其制造过程中难免会存在微小的加工误差,例如动静不平衡,轴承缺陷等,使得飞轮在成像环节中产生预期之外、幅值小、频带宽的扰振力和力矩。这些扰振力和力矩将影响整星的指向精度以及敏感光学元件的相对位置精度,降低成像质量,严重时甚至造成图像的扭曲,退化以及模糊。为保障入轨后高分辨率光学遥感卫星的成像指标,针对飞轮微振动展开深入研究十分必要。本文依托于吉林一号卫星星座中某型号亚米级高分辨光学遥感卫星,从飞轮微振动特性的建模,飞轮微振动对成像影响过程的建模,微振动地面试验技术以及隔振方案四个方面展开了研究。首先对飞轮微振动产生机理进行了深入的研究。针对飞轮中角接触轴承成对安装的情况,应用转子动力学基本原理、Hertz接触相关理论和飞轮结构动力学,建立了飞轮扰振幅值和扰振频率关于飞轮转速,安装基座刚度以及阻尼的函数关系表达式;而后对飞轮扰振展开了精确地试验测量,利用试验数据,对表达式中的关键参数进行了数值拟合,建立了飞轮扰振的数值模型。接着采用集成建模法对整星有限元动力学模型,光学系统模型以及姿控环节进行集成建模以获得整星微振动分析模型,利用所得分析模型对飞轮在各转速下成像像移的频域响应进行了理论计算。结合统计矩法,并根据TDI CCD推扫成像的基本原理提出将飞轮所致像移的频域响应转换为MTF的算法,利用该算法对研究对象飞轮扰振环节所致的MTF分量进行了初步预估,预估结果表明飞轮在某些转速下存在微振动超标的现象。设计并搭建了可对飞轮微振动所致像移进行精确测量的高仿真度整星试验平台。在该平台上不仅完成了对理论分析结果的校核试验,亦针对姿控策略和各向飞轮所致像移之间的耦合特性展开了研究。根据试验的结果,分析了集成建模法的合理性和误差特性,并论证了利用各飞轮稳定转速模式下所致像移线性叠加值等效飞轮受控组合工作时所致像移值的合理性,完成了对在轨飞轮受控组合工作时转速覆盖区间内飞轮扰振所致像移环节的MTF均值预估。此外,借助于高精度试验数据,本文提出了一种新型整星微振动建模法——数值建模法,并将该方法与前面所提出的集成建模法进行了对比,分析了各自的优缺点和适用场合。飞轮扰振所致成像像移环节的MTF均值预估结果表明,该卫星在部分转速区间内有微振动超标的现象,且Y向飞轮为敏感飞轮,针对Y向飞轮和相机的隔振研究十分必要。本文根据单自由度隔振系统的理论对飞轮和相机的隔振原理进行了分析,设计了结构简洁的隔振装置以实现飞轮扰振输入的衰减和相机的隔离保护;利用集成分析法对隔振后像移进行了预估,并对不同隔振方案隔振效率进行测试,确定了最终飞轮和相机的隔振方案;最后对隔振方案的合理性进行了校核。校核结果表明:隔振方案设计合理,可在各项指标要求内有效降低飞轮扰振对成像的影响。
【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】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V414;V448.22

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本文编号：2731371