卫星主承力构件与光学相机的共结构设计及动力学优化

发布时间：2017-12-17 18:31

  本文关键词：卫星主承力构件与光学相机的共结构设计及动力学优化

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【摘要】：微小卫星具有体积小、重量轻、功能密度大等优点,备受世界各国关注,已成为空间技术发展的重要方向。其研制周期短、成本低、发射方式灵活,可进一步快速组网形成分布式星座,满足应急遥感任务对全球覆盖、快速重访、多源信息获取的需求。卫星结构为卫星及其各分系统提供支撑,承受和传递载荷,安装设备和保证卫星构型,并保持一定刚度和尺寸稳定性。卫星结构的集成化和轻量化设计有利于降低卫星重量和尺寸,使卫星朝小型化和微小型化发展过程中面临的重要课题。本文针对“吉林一号”灵巧视频卫星结构设计过程中遇到的一些问题,采用“星载一体化”的设计理念,对传统的中心承力筒构型进行改进设计与优化。对该卫星的主承力结构和光学相机进行了一体化设计,设计出一种新型的共结构形式。该共结构集载荷舱、服务舱于一体,同时兼具相机遮光罩功能,从而提高了卫星结构的功能密度,降低了卫星的体积和结构的重量。从结构功能上考虑,本文从两方面对共结构进行了详细的优化设计:(1)整星主承力结构方面:共结构作为整星的中心承力筒,是整星主传力路径的一部分,为星上单机设备提供安装位置。为优化共结构的动力学特性,本文针对共结构的刚度和随机振动响应进行了动力学优化设计。从结构的灵敏度分析入手,结合碳纤维复合材料结构性能特点,对共结构进行了铺层厚度进行了动力学优化。根据优化结果获得了铺层数量,进而利用试验手段对铺层顺序进行了设计,得到共结构的铺层顺序为[45/0/-45/90]2S。(2)光学载荷方面:共结构也是光学相机的外遮光罩,是光学系统抑制杂散光的主要部件,为相机提供杂散光抑制的功能。本文对共结构进行了外遮光罩功能化设计,包括外遮光罩的结构设计、挡光环的分布优化设计以及杂散光分析,使光学系统的点源透过率(PST)优于10-5量级,满足了视频卫星成像的要求。根据以上设计优化的结果,建立整星的有限元模型,并对该模型进行相关的力学分析。首先分析了共结构的动态响应力学特性,包括正弦振动响应和随机振动响应,分析结果表明共结构的动态力学响应良好,能够满足星上设备对力学环境的要求。此外,从结构安全性考虑,结构强度是卫星结构的重要指标。本文充分考虑了卫星发射过程中的过载系数和结构安全系数,对整星结构进行了静力学分析,根据分析数据计算了卫星结构的安全裕度,结果表明整星结构具有较大的安全余量,能够满足强度设计要求。为验证以上结构优化设计的合理性和有限元分析结果的准确性,本文设计了整星力学环境试验,通过对整星在验收级和鉴定级条件下正弦和随机振动试验数据的采集分析,试验结果验证了有限元模型构建及分析的有效性,结构设计合理,满足要求。综合以上分析和试验结果,本文提出的共结构形式,能够满足灵巧视频卫星对相关结构功能及力学性能的要求,为同类型的光学遥感微小卫星的结构设计提供了一种新的设计思路。
【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】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V423.4

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本文编号：1301144