张新建[1]2008年在《空间小型CCD相机的结构设计及动力学分析》文中提出利用搭载在航天器上的空间小型CCD相机进行空间对地观测,具有实时性好、自扫描、结构紧凑、速度快、视野广、覆盖范围大、不受领空限制等优点,越来越受到各个国家的广泛关注。伴随着小卫星的发展,越来越多的国家加入研发空间小型CCD相机的行列。本文研究的CCD相机从出厂后经运输、发射、入轨、轨道运行等过程,其所经受环境的复杂性和多样性是其它产品不能比拟的。因此在恶劣的振动力学环境下,如何使CCD相机的结构设计满足质量轻,光学元件的位置精度高以及结构件刚度、强度合理,性能稳定的要求,是本论文研究的关键内容。围绕该相机设计的技术要求,本文在相机的结构设计过程中完成了以下工作:1)通过对星载相机常用材料的性能分析比较,科学的完成部件结构的轻量化设计;2)应用有限元分析方法,借助结构动力学基本理论,对相机关键部件——镜筒和相机与卫星的连接件——转接环进行了力学分析,针对分析结果提出了改进建议。在该相机精确CAD模型的基础上,对CCD相机进行了简化造型,利用简化的模型建立了整机的有限元模型,完成了该相机结构动特性的分析计算。主要工作包括:1)对相机结构进行适当的简化,并建立了整机的有限元模型;2)完成该相机在自重及过载下的准静态分析,得出相应的变形和应力值;3)完成该相机的模态分析,得出相应的固有频率和振型;4)完成该相机鉴定级正弦振动的响应计算,得出相应的响应曲线和加速度响应最大值以及所发生的频率;5)完成该相机鉴定级随机振动的响应计算,得出相应的响应曲线和加速度响应最大值以及所发生的频率。研究结果表明:1)对于本文研究的相机,其结构设计重量满足设计要求;2)改进后的镜筒和转接环有更好的刚度和强度,能够更好的保证光学元件的稳定和相机的成像质量;3)CCD相机的基频较高,发射时不会与卫星的振动频率耦合而产生共振;4)通过准静态分析和动力学分析(正弦振动和随机振动),表明相机的强度较大,在试验要求的频率范围内响应较小,性能稳定,能够抵抗空间振动力学环境载荷的影响。
刘阳[2]2009年在《空间CCD相机的结构设计改进与动力学分析》文中研究表明空间CCD相机是一种应用于空间环境的精密光学仪器,主要功能是获取地面和高低空运动物体的影像。它可以在短时间内获得宽正面,大纵深的图像信息。它的研制对增强我国的国防实力有重要意义.本文研究CCD相机在恶劣的振动力学环境下,如何使空间CCD相机的结构设计满足质量轻,机械结构的刚度、强度合理,相机的性能稳定的要求是本文研究的主要内容。1)围绕空间CCD相机的设计技术要求,本文在相机的结构设计过程中完成了以下工作:(a)通过对星载空间相机常用材料的性能分析比较,合理地完成部件结构的材料选择,为达到轻量化的设计要求奠定基础;(b)应用有限元分析方法,对相机关键部件——主镜筒和支架进行了优化设计;2)在该相机精确CAD模型的基础上,对CCD相机进行了简化造型。利用简化后的模型建立了整机的有限元模型,完成了该相机结构动态特性分析计算。主要工作包括:(a)对相机结构进行适当的简化,并建立了整机的有限元模型;(b)完成该相机在加速度过载下的准静态分析,得出相应的变形和应力值;(c)完成该相机的模态分析,得出前10阶固有频率,并给出前4阶振型;(d)完成该相机的正弦振动分析计算,得出相应的响应曲线、最大值以及所发生位置;(e)完成该相机随机振动的响应计算,得出相应的响应曲线响应最大值所在的位置。研究结果表明:1)本文通过对初始设计方案中的主镜筒和支架改进,使其具有更好的刚度,能够更好的保证光学元件的稳定和相机的成像质量;2) CCD相机的基频较高,发射时不会与卫星的振动频率耦合而产生共振;3)通过对准静态的加速度过载分析和动力学分析(正弦振动和随机振动),表明相机的刚度较大,在试验要求的频率范围内响应较小,性能稳定,能够抵抗发射过程中的振动境载荷的影响。
李丽富[3]2014年在《空间相机结构设计与优化》文中研究说明空间多光谱相机是可以发射到太空中的最有价值的仪器之一。其对地的观测记录了成像地物对多个光谱波段的响应特性，包含了观测对象的更多信息，因此,空间多光谱相机的应用十分广泛。本文研究的空间多光谱相机，为4个谱段的CCD相机，采用离轴TMA光学系统，与搭载在小卫星上的某全色空间光学相机联接，共同完成地面侦查的任务。空间多光谱相机的视场角与全色相机的视场角相同，后期处理时可以将多光谱图像和全色波段图像进行融合处理得到高分辨率的多光谱图像。本文完成的主要研究工作如下：(1)概述了空间多光谱相机的结构基本组成、国内外发展现状和发展趋势，阐述了空间多光谱相机力学分析的主要内容，介绍了反射镜面形误差评价的标准。(2)介绍了空间多光谱相机的主要参数和结构组成，并对相机进行了静力学分析，计算结果表明在重力及温度载荷的作用下各反射镜满足镜面面形指标。(3)对空间多光谱相机进行模态分析，获得相机固有频率及振型。研究在低频正弦振动和随机振动的动力学环境下，结构的动态响应，分析结果表明光机结构具有良好的稳定性和可靠性。(4)采用拓扑优化设计方法，对空间多光谱相机的框架进行了优化设计，优化后的结构在满足静力学面形精度要求的情况下，不仅质量大大减少，其动态性能也优于前者。
席佳利[4]2015年在《大比例尺立体测绘缩比相机主支撑结构设计》文中提出随着立体测绘技术的不断发展,立体测绘相机光学系统对焦距、视场角,入瞳直径方面的要求愈来愈高,立体测绘相机的设计和加工难度愈来愈大。离轴叁反光学系统通过多次转折光路,可以在保持焦距不变的条件下有效缩短相机尺寸。一方面,离轴叁反光学系统具有较容易控制系统的杂散辐射,没有中心遮拦损失,能量利用率高,不存在色差,可设计变量多等优点,在立体测绘相机领域具有很大的应用潜力。另一方面,离轴叁反光机系统结构非轴对称,其主支撑结构设计和系统装调是公认的难点。针对当前由传统结构设计方法向优化设计方法,由基于静载荷的设计方法向基于动载荷设计方法转变的必要性和趋势,本课题以某立体测绘缩比相机研制为背景进行离轴叁反立体测绘相机主支撑结构的优化设计方法研究。针对该相机在立体测图精度和结构质量等方面的要求,将随机响应最小化拓扑优化设计方法引入到离轴叁反立体测绘相机主支撑结构设计中。主要进行了以下几方面研究工作:1.分析了该立体测绘缩比相机及其前/后视相机的光学系统,其前/后视相机具有相同的结构形式,采用了相同的离轴叁反光学系统,其主支撑结构设计是该立体测绘缩比相机主支撑结构设计的关键。从立体测图角度分析了测绘相机对交会角、内方位元素和传递函数等指标的要求,对总体给出的相机主支撑结构设计指标进行了说明。2.针对光学系统的特点和要求,优选了主支撑结构形式和材料;根据总体对重力载荷下相机的位移、随机振动下次镜的响应以及相机结构一阶频率方面的要求,进行了该结构的随机响应最小化拓扑优化设计,所得结果具有较高的参考价值。在此基础上得到了结构的尺寸优化初始有限元模型,经动力学尺寸优化得到了前/后视相机的桁架式主支撑结构,其质量约为3.8Kg。该主支撑结构的动力学分析和该相机的热分析表明主支撑结构满足各项设计要求。3.对该相机主支撑结构进行了0.1g的正弦扫描试验和2gRMS的随机振动试验。试验表明主支撑结构的一阶频率为291.4Hz,随机振动试验前后次镜特征点在X、Y、Z向的扫描响应曲线吻合程度很高,说明该主支撑结构具有较好的刚度和稳定性。次镜沿光轴方向的随机响应放大率得到了有效控制。有限元分析结果与动力学试验结果间最大误差为6.0%,满足工程分析精度要求。证明了本文提出的主支撑结构设计方法的正确性和该结构的合理性。4.设计工装连接前/后视相机,保持前视相机坐标系X轴竖直向上,后视相机坐标系X轴竖直向下状态,进行了该测绘相机交会角、传递函数和内方位元素的标定。标定结果表明:立体测绘缩比相机交会角为22.6023°,相对偏差约为0.01%。前/后视相机在Nyquist频率处的调制传递函数均大于0.1。前/后视相机的相对畸变均约为0.05%。相机的各种光学性能指标均满足要求,说明了该相机主支撑结构具有很好的刚度和稳定性。本文提出的设计方法可以将随机响应纳入离轴叁反立体测绘相机的结构设计过程,能在较大程度上降低结构关键部位的随机响应,优化结构的动力学特性。本文提出的优化策略也可用于其他同型相机主承力结构设计。
郭权锋[5]2012年在《同轴叁反空间相机结构稳定性研究》文中进行了进一步梳理空间相机的结构稳定性是空间科学仪器结构设计中的重要问题，历来受到结构设计工作人员的高度重视。近几十年来，随着空间相机在大口径、轻量化方向的发展，为减轻结构重量，增强结构刚度和稳定性，相机的支撑结构和光学元件在材料应用和结构形式上都必须做出相应调整。受重量和发射成本的限制，空间相机结构件的剖面尺寸相对减小，结构刚度和安全裕度相对降低，结构稳定问题变得尤为突出。另外，空间相机从研制、发射到在轨运行，会遭受到振动、冲击、噪声、空间热环境、真空环境、微重力和特殊空间环境等外界载荷和环境因素的考验，这都对结构提出了更高的要求。空间相机的光学性能在很大程度上决定于相机结构在外界载荷和环境影响下的稳定性，因此，对相机结构的稳定性进行深入研究具有重要意义。本文结合项目研制进程，根据相机光学结构特点和项目需求，主要对大口径主反射镜和调焦镜的柔性支撑、主镜和次镜间的薄壁连接筒、碳纤维复合材料相机支架和活动部件等关键结构进行了研究。首先，介绍了空间相机结构稳定性问题的研究方法。从理论研究出发，分析了空间相机的力学环境，载荷特征和结构响应的评价依据。讨论了有限元分析法的原理、分析过程和分析精度。其次，结合课题情况阐述了空间相机光学结构的设计依据、对结构加工装配误差的要求以及研制过程中相机的像质检测方法。然后，介绍了空间相机反射镜材料的性能和选择依据。通过对反射镜支撑理论的分析完成了主镜和调焦镜的支撑结构设计，并进行了相应的工程分析和试验。结果表明，柔性支撑结构具有合理的刚度、环境适应性和结构稳定性，反射镜及其支撑结构的设计比较合理。然后，对薄壁圆筒的加强筋结构参数进行了研究，发现了加强筋参数的影响规律。对中筒结构进行了设计、分析和优化，工程分析表明中筒稳定性较好。接着介绍了相机支架和调焦组件的结构特点，以及它们在结构稳定性方面采取的保证措施，通过分析和试验验证了设计的合理性和结构可靠性。最后，对整机进行了有限元工程分析和环境试验。并且在研究的同轴光学系统基础上，对第一像面后的光路在垂直主次镜光轴方向上进行了折迭，分析了折轴结构的特征频率和结构稳定性。结果表明，折轴结构相机的特征频率较高，轴向尺寸较短，但径向尺寸较大；空间相机的结构稳定性较好，能够满足指标要求。
张庆庆[6]2013年在《同平台两并列载荷的全约束装星方法研究》文中提出空间相机的装星组件具有支撑定位和安装的功能，是相机整机系统中一个十分重要的机械组件，卫星平台的力学激励正是通过这一结构传输到空间相机上。该结构的设计也成为了保证相机成像质量的关键。论文设计了空间相机的底部装星组件，采用运动学结构形式，以解决相机的安装以及精密定位。全文的内容主要为以下几个方面：（1）分析方案设计中的约束情况。介绍了约束螺旋理论，主要包括约束螺旋的数学定义，K-G公式以及其修正形式，空间并联机构约束、自由度的求解步骤，公共约束和冗余约束在物理上的意义以及数学上的算法。使用这一理论分析两种方案的自由度，能够准确表达结构的自由度及约束情况。比较理想情况和现实中包含间隙情况下空间相机的过约束数目的差别。（2）使用计算机模拟分析，以及试验两种方式分别研究空间相机底部装星结构的动力学性能。分析了采用Hertz弹性接触理论的小间隙振动模型与没有间隙时的差别，进而使用有限元附加MPC方法进行了计算机模拟分析。加工出实物后，进行力学试验，将试验结果与模拟结果进行了分析比对。（3）两载荷并列安装于同一卫星平台上，将两相机连接以减少运输发射过程中的振动。建立了两相机连接振动模型，得到各方向上最优的连接参数。通过底部运动学支撑组件以及两相机之间的连接组件，实现了相机在轨工作时具有良好的指向精度，能够释放卫星平台内应力，同时降低了运输发射阶段的振动响应。论文提出的运动学底部装星方案具有原创性，给类似的运动学结构设计提供重要的参考。
李颖[7]2003年在《空间相机动力学分析》文中提出结构动力学分析在工程上有着重要的地位，已经引起了工程设计人员的普遍关心和重视。人们在长期的理论分析和应用中也取得了大量的成果，但是，由于工程实际条件的限制，要想得到动力学的理论解往往存在很多困难，目前对于复杂结构一般采用数值法进行动力学分析。建立在有限元法和动力学基本理论上结构动力学数值分析方法已经成为主要的分析结构动特性的手段。 本文首先简介了动力学分析的基本理论和特点；然后分别对结构的固有特性、确定性振动的动响应(包括时域分析和频域分析)、随机振动响应的数值解法进行了详细的介绍，并给出简单的算例分析；最后针对复杂的空间相机结构进行了完整的动力学特性分析，从而验证了动力学研究在工程上的实用价值。
李畅[8]2014年在《超宽覆盖空间相机结构设计与优化》文中研究说明随着科学技术的不断发展以及对地观测要求的不断提高，高分辨率、宽覆盖成像逐渐成为空间相机的一项重要发展趋势。本文对某超宽覆盖空间相机的结构进行了优化设计，其地面覆盖宽度超过500km，结构外形尺寸长宽比接近1:1.2。根据上述结构特点，为减轻重量，增强结构稳定性，相机的反射镜和框架结构在材料和结构形式上都必须做出相应调整。另外，空间相机从研制、装配、运输、发射到在轨运行等各个阶段，会经历各种外界载荷和环境因素的考验，而相机结构在上述情况下的稳定性对成像质量有较大影响，这都对相机结构设计提出了更严格的要求。基于此，本文根据某超宽覆盖空间相机的项目需求和结构特点，对相机内大口径反射镜和框架结构的设计及优化进行了深入研究。第一，介绍了空间相机在各个阶段所经历的力学环境，提出了载荷特征和结构响应的评价方法。从理论上推导了接触刚度的计算公式，分析了其主要影响因素，针对螺栓连接结构提出了一种新的有限元建模方法，综合考虑接触及螺栓预紧力对结构刚度矩阵的影响，提高了的动力学分析的精度及效率。第二，结合项目研制需求介绍了空间相机反射镜结构的设计依据。根据各材料性能及工艺性对比，完成了反射镜镜体和支撑结构材料的选择。综合考虑反射镜支撑理论及项目要求，设计出一种新的柔性支撑结构，并完成镜体轻量化优化，对反射镜组件进行了相应的有限元分析。结果表明，一阶频率较高，并具有较高的比刚度和温度适应性，满足成像质量要求。第叁，提出整体式框架结构和桁架式框架结构两套设计方案。基于桁架式框架设计方案，根据能量守恒原理，采用基于Rayleigh算法的单位力法，研究了桁架杆间夹角对框架频率的影响，并以此为基础完成对桁架式框架结构的优化设计。基于整体式框架设计方案，选用了具有高比刚度和热稳定性的高体份SiC/Al复合材料，在框架具体结构形式未知的前提下，依据变密度法建立SIMP材料插值模型，通过设定相应的约束条件和目标函数，完成整体式框架结构的优化设计。根据有限元分析结果，对比桁架式框架及整体式框架各自的优缺点，并结合项目适应性的要求，最终选定了整体式框架的设计方案。第四，对空间相机整机结构进行了有限元分析，并采用光机综合分析法，研究了各种环境因素对相机成像质量的影响。对空间相机进行了环境试验，结果表明空间相机的力学特性和热稳定性较好，各部分的动力学响应均在合理的范围内。有限元分析结果与试验值误差较小，证明了通过有限元分析指导和验证结构设计这一方法的合理性。最终完成了空间相机高刚度、轻量化的结构设计目标。
魏磊[9]2017年在《长焦距宽视场空间相机主支撑结构优化设计》文中研究指明离轴叁反光学系统没有中心遮拦,可以实现大视场,高分辨率,获得接近理想的成像性能和效果,被各国科研人员广泛作为空间相机的光学系统。但由于其光学系统的非对称性特点,相对于同轴对称系统,它的支撑结构设计与装调技术是公认的技术难点。此外,为了实现空间相机的超大幅宽与高地面分辨率,实现详普查功能一体化,需要不断增大光学系统的焦距与视场角,大视场长焦距离轴叁反光学系统中,各光学元器件的位置精度要求更加严格,空间相机在装调、运输、发射过程中的尺寸稳定性也更加难以保持,这些都给主支撑结构设计带来了很大的挑战。本论文根据某离轴叁反光学系统空间相机,其主、叁、折迭镜长度均超过1200mm,长宽比均超过3:1,质量均大于40kg,主次镜间距超过1500mm的特点,从以下5方面对大型离轴叁反空间相机主支撑结构的优化设计及力学性能展开了深入研究。1.调研国内外离轴空间相机主支撑结构的典型形式,针对高分辨率、宽视场离轴叁反光学系统的特点,分析研究了不同支撑方式的优缺点,选取适合本论文的主支撑结构形式。2.桁架结构拓扑形式研究。根据变密度法,对本论文研究的桁架式支撑结构进行多目标拓扑优化设计,设计出合适的桁架式初始结构,并将此初始结构拆分成各个次结构,研究分析次结构桁架杆角度对整机性能的影响。3.前框架结构优化设计研究。根据光学系统特点,提出一体化支撑折迭镜、次镜组件的前框架结构。首先,结合加工工艺性与前框架的尺寸要求,通过对不同航天常用工程材料分析对比,选取钛合金作为前框架的研制材料;其次,根据基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,提出了一种综合基于自由模态与约束模态拓扑优化方法,优化设计前框架结构的轻量化形式;最后,对研制出的前框架结构的进行了自由模态分析与MIMO自由模态试验,验证了优化与分析方法的正确性。4.基于动力学目标的桁架杆尺寸优化设计。根据随机振动理论,提出加强局部区域的刚度可以减小该区域随机振动响应的假设,并提根据此观点提出了一种以镜子安装点随机振动响应最小的多目标尺寸优化方法来优化本论文的桁架杆尺寸,通过桁架结构力热样机动、静态力学分析与试验,验证了该设计方法的合理性,并验证了本论文所提出理论假设的正确性。5.桁架结构消热设计。研究离轴空间相机桁架结构热变形特点,根据消热化设计原理中热变形后桁架杆轴向距离相等的原则,推算出各个桁架杆热膨胀系数的函数关系,并根据光学公差要求,推算出桁架杆热膨胀系数的取值范围;并根据碳纤维复合材料热膨胀系数可设计的特点,综合刚度与热膨胀系数两方面因素,设计出满足性能要求的桁架杆碳纤维复合材料铺层方式。
包奇红[10]2016年在《空间离轴相机光机结构轻型优化设计研究》文中进行了进一步梳理离轴叁反消象散系统具有长焦距、大视场、宽波段等优点,因而被广泛地应用于空间光学遥感器中。随着空间技术的发展,高分辨率、宽覆盖已成为空间相机的一大发展趋势,使得相机的口径和质量不断增大。与此同时,轻小型遥感卫星对空间星载仪器的重量和性能提出了更高的要求,致使空间相机,特别是大口径离轴相机的轻型优化设计面临重大挑战。本文根据空间相机的光机结构特点,针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间离轴相机光机结构进行了轻型优化设计。首先,从反射镜材料、支撑形式,相机光机结构形式等方面简要介绍了国内外空间相机的发展概况及趋势,并介绍了光机结构优化设计中两种常用的优化方法和技术,拓扑优化方法和集成优化技术。进一步阐明了本课题研究的主要内容和意义。其次,对相机中的主、次、叁镜进行了轻量化设计。对空间反射镜提出背部中心支撑方式,通过对相机中的各反射镜采用该种支撑方式,既降低了支撑结构的设计难度,又减小了反射镜组件的总重量。利用集成优化技术对反射镜进行优化,在减小镜体质量的同时进一步提高了反射镜的面形精度。对反射镜组件的动、静力学性能进行仿真分析,以检验设计结果的可靠性,结果表明各反射镜组件的动、静力学性能均满足设计要求。然后,对相机主支撑结构进行轻型优化设计。采用拓扑优化方法对主支撑结构中的大质量部件后基板进行轻量化设计,以减小支撑结构的质量。对桁架系统利用集成优化技术进行优化,通过对桁架杆进行布局优化和截面优化,提高了桁架系统的动、静态刚度。对整机模型进行动、静力学仿真,以检验主支撑结构的可靠性,结果表明结构的动、静态刚度满足设计要求。最后,以Ф500mm口径的Si C圆形反射镜为例,研究了空间反射镜背部中心支撑特性,分析了反射镜及支撑结构的主要结构参数对反射镜性能的影响,为空间反射镜背部中心支撑的设计研究提供思路和参考。
参考文献：
[1]. 空间小型CCD相机的结构设计及动力学分析[D]. 张新建. 苏州大学. 2008
[2]. 空间CCD相机的结构设计改进与动力学分析[D]. 刘阳. 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）. 2009
[3]. 空间相机结构设计与优化[D]. 李丽富. 吉林大学. 2014
[4]. 大比例尺立体测绘缩比相机主支撑结构设计[D]. 席佳利. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所). 2015
[5]. 同轴叁反空间相机结构稳定性研究[D]. 郭权锋. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2012
[6]. 同平台两并列载荷的全约束装星方法研究[D]. 张庆庆. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所). 2013
[7]. 空间相机动力学分析[D]. 李颖. 西北工业大学. 2003
[8]. 超宽覆盖空间相机结构设计与优化[D]. 李畅. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所). 2014
[9]. 长焦距宽视场空间相机主支撑结构优化设计[D]. 魏磊. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所. 2017
[10]. 空间离轴相机光机结构轻型优化设计研究[D]. 包奇红. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所. 2016
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