本文關鍵詞：衛(wèi)星主承力構件與光學相機的共結構設計及動力學優(yōu)化

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【摘要】：微小衛(wèi)星具有體積小、重量輕、功能密度大等優(yōu)點,備受世界各國關注,已成為空間技術發(fā)展的重要方向。其研制周期短、成本低、發(fā)射方式靈活,可進一步快速組網(wǎng)形成分布式星座,滿足應急遙感任務對全球覆蓋、快速重訪、多源信息獲取的需求。衛(wèi)星結構為衛(wèi)星及其各分系統(tǒng)提供支撐,承受和傳遞載荷,安裝設備和保證衛(wèi)星構型,并保持一定剛度和尺寸穩(wěn)定性。衛(wèi)星結構的集成化和輕量化設計有利于降低衛(wèi)星重量和尺寸,使衛(wèi)星朝小型化和微小型化發(fā)展過程中面臨的重要課題。本文針對“吉林一號”靈巧視頻衛(wèi)星結構設計過程中遇到的一些問題,采用“星載一體化”的設計理念,對傳統(tǒng)的中心承力筒構型進行改進設計與優(yōu)化。對該衛(wèi)星的主承力結構和光學相機進行了一體化設計,設計出一種新型的共結構形式。該共結構集載荷艙、服務艙于一體,同時兼具相機遮光罩功能,從而提高了衛(wèi)星結構的功能密度,降低了衛(wèi)星的體積和結構的重量。從結構功能上考慮,本文從兩方面對共結構進行了詳細的優(yōu)化設計:(1)整星主承力結構方面:共結構作為整星的中心承力筒,是整星主傳力路徑的一部分,為星上單機設備提供安裝位置。為優(yōu)化共結構的動力學特性,本文針對共結構的剛度和隨機振動響應進行了動力學優(yōu)化設計。從結構的靈敏度分析入手,結合碳纖維復合材料結構性能特點,對共結構進行了鋪層厚度進行了動力學優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結果獲得了鋪層數(shù)量,進而利用試驗手段對鋪層順序進行了設計,得到共結構的鋪層順序為[45/0/-45/90]2S。(2)光學載荷方面:共結構也是光學相機的外遮光罩,是光學系統(tǒng)抑制雜散光的主要部件,為相機提供雜散光抑制的功能。本文對共結構進行了外遮光罩功能化設計,包括外遮光罩的結構設計、擋光環(huán)的分布優(yōu)化設計以及雜散光分析,使光學系統(tǒng)的點源透過率(PST)優(yōu)于10-5量級,滿足了視頻衛(wèi)星成像的要求。根據(jù)以上設計優(yōu)化的結果,建立整星的有限元模型,并對該模型進行相關的力學分析。首先分析了共結構的動態(tài)響應力學特性,包括正弦振動響應和隨機振動響應,分析結果表明共結構的動態(tài)力學響應良好,能夠滿足星上設備對力學環(huán)境的要求。此外,從結構安全性考慮,結構強度是衛(wèi)星結構的重要指標。本文充分考慮了衛(wèi)星發(fā)射過程中的過載系數(shù)和結構安全系數(shù),對整星結構進行了靜力學分析,根據(jù)分析數(shù)據(jù)計算了衛(wèi)星結構的安全裕度,結果表明整星結構具有較大的安全余量,能夠滿足強度設計要求。為驗證以上結構優(yōu)化設計的合理性和有限元分析結果的準確性,本文設計了整星力學環(huán)境試驗,通過對整星在驗收級和鑒定級條件下正弦和隨機振動試驗數(shù)據(jù)的采集分析,試驗結果驗證了有限元模型構建及分析的有效性,結構設計合理,滿足要求。綜合以上分析和試驗結果,本文提出的共結構形式,能夠滿足靈巧視頻衛(wèi)星對相關結構功能及力學性能的要求,為同類型的光學遙感微小衛(wèi)星的結構設計提供了一種新的設計思路。
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：V423.4

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本文編號：1301144