導(dǎo)語(yǔ)：空間相機(jī)主支撐結(jié)構(gòu)研制綜述一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

空間相機(jī)主支撐結(jié)構(gòu)是空間相機(jī)的關(guān)鍵部件之一，主要作用是按照相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的相互位置關(guān)系精確支撐各光學(xué)元件及成像器件，同時(shí)還要安裝或固定其它一些功能組件，例如熱控多層、信號(hào)處理模塊、光闌等。在進(jìn)行空間相機(jī)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮以下設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1)剛度在發(fā)射階段，相機(jī)要經(jīng)受火箭點(diǎn)火、關(guān)機(jī)，主動(dòng)段飛行時(shí)的加速度過(guò)載、低頻穩(wěn)態(tài)振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)，星箭分離時(shí)的瞬態(tài)沖擊等嚴(yán)酷力學(xué)環(huán)境，因此相機(jī)必須具有足夠高的固有頻率(即剛度)，以避免與運(yùn)載器(或衛(wèi)星)的共振破壞；另外，在軌運(yùn)行階段，相機(jī)工作在微重力環(huán)境下，由約束狀態(tài)到自由狀態(tài)的變化將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，高剛度能保證相機(jī)在重力釋放下，相機(jī)結(jié)構(gòu)變形較小。

2)尺寸穩(wěn)定性當(dāng)外部環(huán)境(包括溫度、濕度等)發(fā)生變化時(shí)，相機(jī)主結(jié)構(gòu)必須保持各光學(xué)元件及成像器件相對(duì)位置的變化在公差設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

3)重量?jī)?yōu)化相機(jī)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可以有效節(jié)省相機(jī)重量，進(jìn)而節(jié)省衛(wèi)星資源、降低發(fā)射成本。針對(duì)某空間相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了相機(jī)主支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明：相機(jī)的主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，能夠滿足相機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)要求。

1空問(wèn)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，綜合比較之后…，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一次成像離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，相機(jī)孔徑光闌前設(shè)置一維指向鏡，使相機(jī)具有側(cè)擺成像能力。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

2空間相機(jī)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間相機(jī)的主結(jié)構(gòu)形式一般可分為整體式結(jié)構(gòu)和桁架式結(jié)構(gòu)兩種J。整體式結(jié)構(gòu)一般采用金屬鑄造或復(fù)合材料成型，在中、小型空間相機(jī)中應(yīng)用較為廣泛，主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟、工藝性較好；而桁架式結(jié)構(gòu)與前者相比有更好的比剛度，質(zhì)量較小，一般應(yīng)用在大口徑、長(zhǎng)焦距的大型空間相機(jī)上，如哈勃天文望遠(yuǎn)鏡等。本相機(jī)采用離軸三反的光學(xué)系統(tǒng)，焦距較短，為1．04m，整體尺寸不大，因此主結(jié)構(gòu)采用薄壁整體式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2．1相機(jī)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相機(jī)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式如圖2所示，采用整體式鑄造結(jié)構(gòu)，各面基礎(chǔ)壁厚及筋厚為3mil，根據(jù)有限元優(yōu)化分析結(jié)果對(duì)主要受力的筋及壁進(jìn)行了加厚。為了降低由于安裝、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)熱變形等引起的相機(jī)結(jié)構(gòu)變形，相機(jī)與衛(wèi)星的機(jī)械接口采用運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)械安裝接口l4J，接IZl組件的三維模型如圖3所示該種運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)械安裝接口的設(shè)計(jì)基于雙腳架撓性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，在這種安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，相機(jī)本體通過(guò)三個(gè)雙腳架組件固定到衛(wèi)星本體上。雙腳架的每一個(gè)撓性裝置等效于一個(gè)雙臂鉸鏈或十字形撓性裝置，可以避免力矩耦合到相機(jī)結(jié)構(gòu)上；雙腳架撓性安裝結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有較高的剛度。

2．2相機(jī)主框架材料選擇

目前常見(jiàn)的空間結(jié)構(gòu)材料有：鋁、鈦、鎂、殷鋼以及碳纖復(fù)合材料等，這些傳統(tǒng)材料在航天應(yīng)用比較廣泛，鑄造(或成型)工藝、加工工藝也比較成熟，但這些材料在具體應(yīng)用時(shí)也各有一些缺點(diǎn)，例如鈦合金材料密度較大，碳纖復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)較大等。硼鋁合金是新近開(kāi)發(fā)出的航天材料。這種材料的密度接近鋁合金，彈性模量接近鈦合金，熱導(dǎo)率高出鈦合金近20倍，是非常好的主支撐結(jié)構(gòu)材料。綜合比較之后，相機(jī)的主框架結(jié)構(gòu)材料選擇硼鋁合金。

3有限元分析

釋放和環(huán)境溫度變化工況分析結(jié)果表明，相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足各光學(xué)元件的形位精度要求，RMS<1／50h(=632．8nm)，說(shuō)明相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，選取材料的物理特性匹配。整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型、第一階模態(tài)振型及y向重力釋放與溫升耦合作用下的變形情況如圖5一圖8所示。為驗(yàn)證相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用有限元建模軟件Patran和求解器Nastran對(duì)相機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有模態(tài)、重力釋放及重力釋放與環(huán)境溫度變化耦合作用下的分析計(jì)算，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終計(jì)算結(jié)果如表2、表3和表4所示。從模態(tài)分析結(jié)果可以看出，相機(jī)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率滿足衛(wèi)星總體的指標(biāo)要求(85．58Hz橫向頻率大于整星橫向二階頻率)，相機(jī)動(dòng)態(tài)剛度足夠高，表明整機(jī)結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生振動(dòng)耦合；重力釋放和環(huán)境溫度變化工況分析結(jié)果表明，相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足各光學(xué)元件的形位精度要求，RMS<1／50h(=632．8nm)，說(shuō)明相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，選取材料的物理特性匹配。整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型、第一階模態(tài)振型及y向重力釋放與溫升耦合作用下的變形情況如圖5一圖8所示。

4結(jié)論

針對(duì)某空間相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了相機(jī)的主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有限元分析結(jié)果表明：相機(jī)的主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，硼鋁合金材料主框架能夠滿足相機(jī)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)剛度、熱穩(wěn)定性、重量等要求，雙腳架柔性機(jī)械接口能夠有效抑制衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)變形對(duì)相機(jī)主結(jié)構(gòu)的扭曲作用，目前硼鋁合金材料主框架和雙腳架柔性機(jī)械接口這兩種技術(shù)已經(jīng)在航天工程項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。