【摘要】：隨著航天產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,遙感技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)都得到了廣泛地應(yīng)用�？臻g對(duì)地觀測(cè)是獲取地面信息的重要手段,其基本方式是利用空間遙感相機(jī)對(duì)地成像,以得到清晰、直觀的圖像信息。同時(shí),空間遙感相機(jī)的地物分辨率也由以往的幾十米、幾米,發(fā)展到如今的亞米級(jí)精度,因此也對(duì)空間相機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)提出了更為嚴(yán)苛的要求。相機(jī)在發(fā)射過(guò)程中會(huì)受到復(fù)雜力學(xué)環(huán)境(沖擊、振動(dòng)、過(guò)載等)的影響,桁架(本文所述桁架為相機(jī)主、次鏡之間的支撐結(jié)構(gòu))是空間相機(jī)主要光學(xué)元件之間的支撐結(jié)構(gòu),須具備良好的強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等指標(biāo),從而確保光學(xué)元件之間的位置關(guān)系,保證相機(jī)的成像質(zhì)量。碳纖維復(fù)合材料(CFRP,Carbon Fibre Reinforced Plastics)與傳統(tǒng)的金屬材料相比,具有密度小、比強(qiáng)度高、比剛度大、熱穩(wěn)定性好等物理與力學(xué)屬性,因此CFRP結(jié)構(gòu)件在空間遙感器中得到了較為廣泛地應(yīng)用。本文針對(duì)某型號(hào)商業(yè)衛(wèi)星光學(xué)載荷的具體需求(相機(jī)總質(zhì)量小于25kg、凝視視頻或推掃成像模式、帶校正鏡的R-C光學(xué)系統(tǒng)、地物分辨率優(yōu)于0.9m、幅寬大于22.5km),對(duì)輕型空間相機(jī)CFRP桁架支撐技術(shù)進(jìn)行了深入研究:對(duì)桁架式主承力結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比分析,選擇結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的三桿式桁架支撐結(jié)構(gòu)�；贠ptistruct求解器,以桁架基頻最大為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)桁架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行角度優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化(SIMP,各向正交懲罰材料密度法)、尺寸優(yōu)化(自由形狀優(yōu)化技術(shù))設(shè)計(jì)。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)件、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的加工工藝,對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的桁架設(shè)計(jì)方案。桁架最大外圓直徑為Φ430mm,高度為476mm,總質(zhì)量小于2.2kg。桁架桿與桁架軸線的夾角為16.3°,次鏡室與支撐環(huán)的直徑比為1:2.9。其中,桁架桿橫截面為回字形,支撐環(huán)橫截面為凹字形,并在支撐環(huán)圓周上循環(huán)對(duì)稱布置9個(gè)加強(qiáng)筋。層壓板鋪層的方向、鋪放順序、層數(shù)等需要考慮工件所處的外部環(huán)境(力、熱載荷等),根據(jù)外部載荷的具體情況,來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件的鋪層方式。介紹了經(jīng)典層壓板理論及其在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)用�；贠ptistruct求解器,以基頻最大為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)桁架桿、支撐環(huán)分別進(jìn)行了鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì),得到桁架桿的最優(yōu)鋪層為[±12°]_70°、支撐環(huán)的最優(yōu)鋪層為[0°/90°/45°/-45°/0°]_6。最后確定了桁架桿、支撐環(huán)皆采用模壓成形工藝。為了提前考察桁架支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、熱穩(wěn)定性等相關(guān)指標(biāo)特性,基于Hypermesh/Patran/Nastran等有限元分析軟件,對(duì)桁架進(jìn)行了虛擬試驗(yàn)研究:靜力學(xué)分析表明,桁架的自重變形以及在次鏡組件重力作用下的變形均優(yōu)于4.21″,滿足優(yōu)于10″的精度指標(biāo)要求,具有良好的剛度特性;動(dòng)力學(xué)分析表明,桁架的一階基頻為181.2Hz,顯著高于100Hz,可以有效地避免桁架在發(fā)射的過(guò)程中發(fā)生共振現(xiàn)象,正弦分析、隨機(jī)分析的加速度響應(yīng)合理,說(shuō)明桁架具有良好的強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)剛度指標(biāo);溫升分析表明,次鏡柔性支撐處的變形小于3.16μm,故可以確�？臻g相機(jī)主、次鏡之間的相對(duì)位置關(guān)系,進(jìn)而保證相機(jī)的成像質(zhì)量。對(duì)桁架進(jìn)行了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面的試驗(yàn)研究:靜力學(xué)試驗(yàn)表明,桁架組件的自重變形在0.90″～4.32″之間,均值為2.28″,桁架在次鏡組件重力作用下的變形在1.26″～5.40″之間,均值為3.37″,略高于桁架組件的自重變形,與虛擬試驗(yàn)靜力學(xué)分析結(jié)果(2.57″、3.53″)基本吻合,說(shuō)明桁架組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,具有良好的剛度特性;動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)表明,桁架在X、Y、Z三個(gè)方向上的基頻分別為179.9Hz、179.9Hz、598.3Hz,與虛擬試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果(181.2Hz、181.2Hz、638.0Hz)基本吻合,誤差分別為0.7%、0.7%、6.6%,可以有效地避免共振現(xiàn)象,正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)的加速度響應(yīng)合理,說(shuō)明桁架具有良好的強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)剛度等指標(biāo)特性,可以抵御空間相機(jī)在發(fā)射過(guò)程中受到的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的影響;同時(shí)在振動(dòng)試驗(yàn)前后,分別對(duì)桁架在次鏡組件重力作用下的變形進(jìn)行了測(cè)量,水平角、俯仰角的變化量均優(yōu)于3.99″,說(shuō)明桁架具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,可以確保相機(jī)主、次鏡之間的相對(duì)位置關(guān)系,進(jìn)而保證空間相機(jī)的成像質(zhì)量。實(shí)際加工得到的桁架組件總質(zhì)量為2.14kg,是金屬桁架質(zhì)量的1/3～1/2倍左右,具有良好的強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等指標(biāo)特性,可以抵御空間相機(jī)在發(fā)射過(guò)程中受到的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的影響,確保相機(jī)主、次鏡之間的位置關(guān)系,保證相機(jī)的成像質(zhì)量。為我國(guó)輕型空間相機(jī)CFRP桁架支撐技術(shù)的研制工作,提供了重要的借鑒意義。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V445.8;V414.2

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本文編號(hào)：2688270