【摘要】：大幅寬高分辨光學(xué)衛(wèi)星因其大視場,高分辨率的成像可以快速實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域覆蓋和詳查,成為對(duì)地觀測領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。在有限的重量約束下,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要同時(shí)滿足多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo),而這些目標(biāo)都是相互影響的,很難同時(shí)達(dá)到最優(yōu),這類問題稱為多目標(biāo)優(yōu)化問題,是空間技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。本文所研究的衛(wèi)星代號(hào)寬幅衛(wèi)星,其有效載荷是一臺(tái)大型離軸三反光學(xué)相機(jī),圍繞該光學(xué)相機(jī)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星平臺(tái)自身重量小于180kg,負(fù)責(zé)支撐相機(jī)及其他各分系統(tǒng)總質(zhì)量超過1120kg,衛(wèi)星平臺(tái)還要負(fù)責(zé)承受和傳遞包括軸向和橫向過載,以及諧波激勵(lì)載荷、微振動(dòng)載荷外載荷并保持穩(wěn)定性,滿足強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、抗擾振性能等多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文采用的結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)思路,有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)約束的良性分配,各分系統(tǒng)得以聚焦主要設(shè)計(jì)任務(wù),最大化發(fā)揮衛(wèi)星成像性能,降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余,減小衛(wèi)星重量和尺寸,最終實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文針對(duì)寬幅衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)理念,采用基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,分別對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以及圍繞衛(wèi)星總體抗擾振性能要求,提出了一種無成像微振動(dòng)集成建模分析方法,對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行隔振多目標(biāo)設(shè)計(jì)。本文主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行了研究。1.衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化理論分析。首先將本文研究對(duì)象寬幅衛(wèi)星一體化結(jié)構(gòu)等效為二自由度彈簧阻尼模型,分析各分系統(tǒng)連接剛度和連接阻尼對(duì)其他各分系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的影響;其次對(duì)微振動(dòng)的產(chǎn)生和抑制方法在理論上進(jìn)行解釋;然后,闡述了多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法及其適用性,并利用該算法,以寬幅衛(wèi)星的相機(jī)桁架力熱變形為多目標(biāo),進(jìn)行了算例研究得到優(yōu)化后的鋪層角度,通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證;最后,討論了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分步多目標(biāo)優(yōu)化的研究框架,確定了各設(shè)計(jì)階段的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。2.研究衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)拓?fù)?多目標(biāo)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和有限元法分析衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)性能。首先,利用變密度法,以X/Y/Z三方向柔度最小為目標(biāo),對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)形貌拓?fù)鋬?yōu)化,得到初始結(jié)構(gòu)形式。闡述桁架截面尺寸和蜂窩夾層板截面尺寸對(duì)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響,以橫向和縱向正弦振動(dòng)激勵(lì)下光學(xué)相機(jī)關(guān)鍵位置響應(yīng)最小為設(shè)計(jì)目標(biāo),基礎(chǔ)頻率為約束,在Isight環(huán)境下利用NSGA-II遺傳算法進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。最后得到Pareto最優(yōu)解即平臺(tái)結(jié)構(gòu)19個(gè)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化尺寸,衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)質(zhì)量177.7kg,優(yōu)于同類型衛(wèi)星指標(biāo);最后利用數(shù)值仿真法分析衛(wèi)星系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性,結(jié)果表明滿足強(qiáng)度和剛度要求。3.首次提出一種適用于大型離軸三反光學(xué)衛(wèi)星的無成像微振動(dòng)集成建模分析方法,并對(duì)隔振裝置結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化和實(shí)施。首先闡述飛輪擾振產(chǎn)生機(jī)理和對(duì)成像影響原理,給出離軸三反光學(xué)系統(tǒng)反射鏡位移引起像移的光學(xué)放大系數(shù)以及利用有限元和MATLAB程序進(jìn)行無成像微振動(dòng)分析詳細(xì)建模方法。以Y向像移為算例,分析了主鏡、次鏡、三鏡、折疊鏡對(duì)像移的影響程度。利用Isight環(huán)境下的NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法,對(duì)隔振裝置的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,得到12個(gè)相關(guān)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化尺寸并實(shí)施隔振。4.開展寬幅衛(wèi)星的地面動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),驗(yàn)證一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。首先是正弦振動(dòng)試驗(yàn),利用振動(dòng)臺(tái)模擬發(fā)射階段低頻激勵(lì),得到衛(wèi)星一體化結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng),結(jié)果滿足單機(jī)設(shè)備對(duì)正弦振動(dòng)幅值不大于8g的要求。然后是微振動(dòng)試驗(yàn),提出無成像微振動(dòng)測試方案,利用準(zhǔn)零剛度原則的懸吊法,測試反作用飛輪擾振力和力矩引起的像移,試驗(yàn)結(jié)果X方向像移優(yōu)于0.228個(gè)像元,Y向像移優(yōu)于0.237個(gè)像元,表明基本滿足微振動(dòng)設(shè)計(jì)要求,隔振設(shè)計(jì)有效。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP18;V423.4
【圖文】：

更高分辨率的方向發(fā)展,目的是為了更高效地獲取高清影像。對(duì)于極地軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星來說，其推掃成像特點(diǎn)決定其獲取大面積目標(biāo)主要依靠成像幅寬。所以大型光學(xué)遙感衛(wèi)星的成像幅寬作為提升拍攝效率的主要指標(biāo)，應(yīng)予以重視，為了獲得大幅寬，一般選用非對(duì)稱特點(diǎn)的離軸反射系統(tǒng)。隨著衛(wèi)星指標(biāo)參數(shù)的提升，衛(wèi)星平臺(tái)和光學(xué)相機(jī)都在不斷增大，遙感衛(wèi)星現(xiàn)有的研制模式從輕量化、發(fā)射段動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及在軌階段微振動(dòng)抑制等都是亟待解決的難題[7]。本文采用的平臺(tái)和相機(jī)結(jié)構(gòu)一體化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，即衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一體化多目標(biāo)設(shè)計(jì)是解決遙感衛(wèi)星發(fā)展問題的重要手段。光學(xué)遙感衛(wèi)星的主要成像指標(biāo)由其所配置的有效載荷即光學(xué)相機(jī)來決定，傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制思路即有效載荷和衛(wèi)星平臺(tái)分頭研制已不適合當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)[3]。如圖 1. 1 所示，一體化設(shè)計(jì)，是以光學(xué)相機(jī)為中心展開設(shè)計(jì)。在進(jìn)行衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，兼顧光學(xué)相機(jī)和衛(wèi)星平臺(tái)雙方利益，將光學(xué)相機(jī)設(shè)計(jì)和平臺(tái)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來，使整體性能達(dá)到最優(yōu)[3]。一體化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在高精度、高敏捷性和低成本，可以有效突破原有的設(shè)計(jì)模式，以相機(jī)為中心實(shí)現(xiàn)平臺(tái)相機(jī)高度定制化設(shè)計(jì)的同時(shí)，減小了質(zhì)量和尺寸、降低衛(wèi)星成本，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)冗余減少[8]。

衛(wèi)星有效載荷是星上的專用設(shè)備，；衛(wèi)星平臺(tái)也常被成為服務(wù)艙，主要功能制、軌道控制、業(yè)務(wù)測控等，保證衛(wèi)星能計(jì)構(gòu)型的衛(wèi)星，通常具有低重量、高功能遙感衛(wèi)星以及部分中國發(fā)射的衛(wèi)星得到了成設(shè)計(jì)是以光學(xué)相機(jī)為核心進(jìn)行布局，將到 星既是載，載既是星[19]。法國宇航局.5m 的全色分辨率與 2m 的多光譜分辨率度和高定位精度，該衛(wèi)星的星敏感器、光機(jī)上，衛(wèi)星相機(jī)與平臺(tái)通過連接部件與衛(wèi)支撐結(jié)構(gòu)通過 3 組桁架桿組件連接到近過支撐結(jié)構(gòu)連接到對(duì)接面，其他各分系進(jìn)行布置，三個(gè)太陽翼均勻布置在近正六，入軌后展開，整顆衛(wèi)星最大程度減小了動(dòng)慣量，提升衛(wèi)星系統(tǒng)敏捷性，如圖 1.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2726325