空间望远镜簇状层合子镜展开及主镜调姿非线性行为研究

论文摘要

空间望远镜是一种工作于太空中的宇宙观测设备,对镜片的型面精度和指向精度要求极高。然而,受限于尺寸、质量等限制,大口径主镜多采用可展开机构形式,镜片基体材料选用轻质的柔性层合复合材料。在空间低阻尼无重力环境下,镜片在展开和姿态调节等过程中受刚性运动影响,极易发生弹性变形,产生振荡且极难耗散,进而严重影响主镜的成像质量和系统的姿态稳定性。故本文针对可展开主镜柔性镜片展开和调姿运动过程的动力学建模及非线性行为特性进行研究。空间望远镜进行子镜展开、主镜调姿运动的动力学建模,属多柔体系统大范围运动和大变形问题。本文基于绝对节点坐标法(ANCF),将层合抛物镜片离散为考虑壳体曲率的等厚壳单元,应用连续介质力学理论表达出单元拉格朗日应变,考虑层合镜片铺层结构特性,准确描述出柔性镜片的本构关系。将可展开主镜等效为多柔体簇状系统,利用虚功原理推导了子镜展开和主镜调姿运动时的动力学方程。精细动力学模型涵盖了镜片的几何结构和材料非线性关系,克服了传统模型求解大变形问题结果发散和拟合壳结构不精确的问题,尤其适用于解决变曲率柔性层合薄壳结构大转动问题。根据建立的ANCF壳单元镜片模型及耦合动力学方程,分析展开铰链驱动、壳体曲率、材料铺层特性等参数变化对主镜系统动力学行为规律的影响效果。非线性结构和材料特性对镜片动态特性影响巨大,ANCF壳单元精确拟合抛物镜片的结构形态,准确描述其弹性变形,提高了层合主镜动力学建模精度。通过探究多因素耦合作用下主镜系统展开及调姿运动的准确动力学行为规律,为主镜镜片的振动控制、姿态稳定调节和提高成像质量提供了理论基础。搭建可实现子镜展开和主镜调姿动作的可展开主镜等效实物模型,对层合材料主镜动态行为特性进行试验分析。拟合对比试验结果与数值仿真数据,表明理论模型能够有效解决柔性层合抛物镜片簇状系统动力学问题;对比不同材质、不同展开镜片数量等情况下的子镜展开动力学行为规律,进一步验证了本文精细化模型中层合结构及驱动方式对主镜系统的动力学行为影响,为可展开主镜的动力学行为分析与变形控制提供了参考,对镜片结构设计、材料选择具有借鉴意义。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梁栋

导师: 游斌弟

关键词: 空间望远镜,簇状子镜与主镜,展开调姿运动,壳单元,动力学行为

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 天文学,仪器仪表工业

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金面上项目“航天器层合机构大范围运动多耦合场行为机理研究”(项目编号:51575126),国家自然科学基金面上项目“考虑空间因素的航天器变齿厚行星传动耦合行为机理研究”(项目编号:51675118)

分类号: TH751

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005797

总页数: 85

文件大小: 5018k

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标签：空间望远镜论文;  簇状子镜与主镜论文;  展开调姿运动论文;  壳单元论文;  动力学行为论文;