空间离轴相机光机结构轻型优化设计研究

发布时间：2017-10-29 09:04

  本文关键词：空间离轴相机光机结构轻型优化设计研究

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【摘要】：离轴三反消象散系统具有长焦距、大视场、宽波段等优点,因而被广泛地应用于空间光学遥感器中。随着空间技术的发展,高分辨率、宽覆盖已成为空间相机的一大发展趋势,使得相机的口径和质量不断增大。与此同时,轻小型遥感卫星对空间星载仪器的重量和性能提出了更高的要求,致使空间相机,特别是大口径离轴相机的轻型优化设计面临重大挑战。本文根据空间相机的光机结构特点,针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间离轴相机光机结构进行了轻型优化设计。首先,从反射镜材料、支撑形式,相机光机结构形式等方面简要介绍了国内外空间相机的发展概况及趋势,并介绍了光机结构优化设计中两种常用的优化方法和技术,拓扑优化方法和集成优化技术。进一步阐明了本课题研究的主要内容和意义。其次,对相机中的主、次、三镜进行了轻量化设计。对空间反射镜提出背部中心支撑方式,通过对相机中的各反射镜采用该种支撑方式,既降低了支撑结构的设计难度,又减小了反射镜组件的总重量。利用集成优化技术对反射镜进行优化,在减小镜体质量的同时进一步提高了反射镜的面形精度。对反射镜组件的动、静力学性能进行仿真分析,以检验设计结果的可靠性,结果表明各反射镜组件的动、静力学性能均满足设计要求。然后,对相机主支撑结构进行轻型优化设计。采用拓扑优化方法对主支撑结构中的大质量部件后基板进行轻量化设计,以减小支撑结构的质量。对桁架系统利用集成优化技术进行优化,通过对桁架杆进行布局优化和截面优化,提高了桁架系统的动、静态刚度。对整机模型进行动、静力学仿真,以检验主支撑结构的可靠性,结果表明结构的动、静态刚度满足设计要求。最后,以Ф500mm口径的Si C圆形反射镜为例,研究了空间反射镜背部中心支撑特性,分析了反射镜及支撑结构的主要结构参数对反射镜性能的影响,为空间反射镜背部中心支撑的设计研究提供思路和参考。
【关键词】：空间光学遥感器 离轴三反相机 空间反射镜 轻量化 集成优化 仿真分析
【学位授予单位】：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】：2016
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 引言13
• 1.2 空间相机概述13-24
• 1.2.1 反射镜材料简介13-18
• 1.2.2 反射镜支撑形式18-21
• 1.2.3 空间相机主支撑结构形式21-23
• 1.2.4 空间相机的发展现状与趋势23-24
• 1.3 结构优化设计方法简介24-28
• 1.3.1 拓扑优化方法24-25
• 1.3.2 集成优化技术25-28
• 1.4 课题来源及研究意义28-29
• 1.4.1 课题背景及来源28
• 1.4.2 课题研究的意义28-29
• 第2章 主镜组件超轻量化设计29-39
• 2.1 引言29
• 2.2 主镜超轻量化设计29-32
• 2.2.1 镜体结构初始模型29-30
• 2.2.2 变筋厚设计30-31
• 2.2.3 变筋高设计31-32
• 2.3 主镜集成优化32-34
• 2.3.1 集成优化问题32
• 2.3.2 优化过程32-33
• 2.3.3 优化结果与分析33-34
• 2.4 主镜组件分析34-38
• 2.4.1 柔性支撑结构设计34-35
• 2.4.2 静力学分析35-37
• 2.4.3 动力学分析37-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第3章 次镜组件轻量化设计39-45
• 3.1 引言39
• 3.2 次镜轻量化设计39-41
• 3.2.1 轻量化方案39-40
• 3.2.2 变结构设计40
• 3.2.3 集成优化与分析40-41
• 3.3 次镜组件性能分析41-44
• 3.3.1 柔性支撑结构41-42
• 3.3.2 仿真分析与评价42-43
• 3.3.3 方案的比较与选择43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 三镜组件轻型优化设计45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 三镜结构轻型优化设计45-46
• 4.2.1 支撑方式选择45-46
• 4.2.2 轻量化结构形式46
• 4.3 三镜集成优化46-49
• 4.3.1 变量扩展46-47
• 4.3.2 变量转化47-48
• 4.3.3 多目标集成优化48
• 4.3.4 优化结果与分析48-49
• 4.4 三镜组件分析49-54
• 4.4.1 柔性支撑结构49-50
• 4.4.2 组件对比分析50-51
• 4.4.3 可靠性分析51-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第5章 主支撑结构轻型优化设计55-65
• 5.1 引言55
• 5.2 后基板拓扑优化设计55-57
• 5.2.1 后基板初始结构55-56
• 5.2.2 拓扑优化设计56-57
• 5.3 桁架系统集成优化57-60
• 5.3.1 桁架支撑结构57-58
• 5.3.2 杆布局优化58-59
• 5.3.3 杆截面优化59-60
• 5.4 整机分析60-63
• 5.4.1 静力学分析60-61
• 5.4.2 动力学分析61-63
• 5.5 本章小结63-65
• 第6章 反射镜背部中心支撑特性研究65-79
• 6.1 引言65
• 6.2 反射镜结构分析65-72
• 6.2.1 轻量化结构选择65-67
• 6.2.2 支撑孔直径分析67-69
• 6.2.3 背部形状分析69-70
• 6.2.4 支撑深度分析70-72
• 6.3 支撑结构分析72-76
• 6.3.1 支撑结构设计72-73
• 6.3.2 螺栓圆半径分析73-74
• 6.3.3 切槽深度分析74-75
• 6.3.4 支撑长度分析75-76
• 6.4 背部中心支撑的最大适用口径76-78
• 6.5 本章小结78-79
• 第7章 总结与展望79-81
• 7.1 全文总结79-80
• 7.1.1 完成的主要工作79-80
• 7.1.2 取得的创新成果80
• 7.2 研究展望80-81
• 参考文献81-87
• 在学期间学术成果情况87-89
• 指导教师及作者简介89-91
• 致谢91

【参考文献】

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本文编号：1112278