【摘要】：隨著航天產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,遙感技術在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)都得到了廣泛地應用�？臻g對地觀測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對地成像,以得到清晰、直觀的圖像信息。同時,空間遙感相機的地物分辨率也由以往的幾十米、幾米,發(fā)展到如今的亞米級精度,因此也對空間相機的各項指標提出了更為嚴苛的要求。相機在發(fā)射過程中會受到復雜力學環(huán)境(沖擊、振動、過載等)的影響,桁架(本文所述桁架為相機主、次鏡之間的支撐結構)是空間相機主要光學元件之間的支撐結構,須具備良好的強度、剛度以及結構穩(wěn)定性等指標,從而確保光學元件之間的位置關系,保證相機的成像質(zhì)量。碳纖維復合材料(CFRP,Carbon Fibre Reinforced Plastics)與傳統(tǒng)的金屬材料相比,具有密度小、比強度高、比剛度大、熱穩(wěn)定性好等物理與力學屬性,因此CFRP結構件在空間遙感器中得到了較為廣泛地應用。本文針對某型號商業(yè)衛(wèi)星光學載荷的具體需求(相機總質(zhì)量小于25kg、凝視視頻或推掃成像模式、帶校正鏡的R-C光學系統(tǒng)、地物分辨率優(yōu)于0.9m、幅寬大于22.5km),對輕型空間相機CFRP桁架支撐技術進行了深入研究:對桁架式主承力結構形式進行對比分析,選擇結構形式簡單的三桿式桁架支撐結構。基于Optistruct求解器,以桁架基頻最大為優(yōu)化目標,對桁架結構分別進行角度優(yōu)化、拓撲優(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)設計。根據(jù)優(yōu)化設計結果,結合金屬結構件、復合材料結構件的加工工藝,對桁架結構進行了詳細設計,得到滿足設計指標要求的桁架設計方案。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)對稱布置9個加強筋。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,來設計結構件的鋪層方式。介紹了經(jīng)典層壓板理論及其在復合材料結構件設計時的應用�；贠ptistruct求解器,以基頻最大為優(yōu)化目標對桁架桿、支撐環(huán)分別進行了鋪層優(yōu)化設計,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構的強度、剛度、熱穩(wěn)定性等相關指標特性,基于Hypermesh/Patran/Nastran等有限元分析軟件,對桁架進行了虛擬試驗研究:靜力學分析表明,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″的精度指標要求,具有良好的剛度特性;動力學分析表明,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)射的過程中發(fā)生共振現(xiàn)象,正弦分析、隨機分析的加速度響應合理,說明桁架具有良好的強度、動態(tài)剛度指標;溫升分析表明,次鏡柔性支撐處的變形小于3.16μm,故可以確保空間相機主、次鏡之間的相對位置關系,進而保證相機的成像質(zhì)量。對桁架進行了靜力學、動力學以及結構穩(wěn)定性等方面的試驗研究:靜力學試驗表明,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,與虛擬試驗靜力學分析結果(2.57″、3.53″)基本吻合,說明桁架組件結構設計合理,具有良好的剛度特性;動力學試驗表明,桁架在X、Y、Z三個方向上的基頻分別為179.9Hz、179.9Hz、598.3Hz,與虛擬試驗動力學分析結果(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、隨機振動的加速度響應合理,說明桁架具有良好的強度、動態(tài)剛度等指標特性,可以抵御空間相機在發(fā)射過程中受到的復雜力學環(huán)境的影響;同時在振動試驗前后,分別對桁架在次鏡組件重力作用下的變形進行了測量,水平角、俯仰角的變化量均優(yōu)于3.99″,說明桁架具有良好的結構穩(wěn)定性,可以確保相機主、次鏡之間的相對位置關系,進而保證空間相機的成像質(zhì)量。實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,具有良好的強度、剛度以及結構穩(wěn)定性等指標特性,可以抵御空間相機在發(fā)射過程中受到的復雜力學環(huán)境的影響,確保相機主、次鏡之間的位置關系,保證相機的成像質(zhì)量。為我國輕型空間相機CFRP桁架支撐技術的研制工作,提供了重要的借鑒意義。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V445.8;V414.2

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