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

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

1)剛度在發(fā)射階段，相機要經(jīng)受火箭點火、關(guān)機，主動段飛行時的加速度過載、低頻穩(wěn)態(tài)振動和隨機振動，星箭分離時的瞬態(tài)沖擊等嚴酷力學(xué)環(huán)境，因此相機必須具有足夠高的固有頻率(即剛度)，以避免與運載器(或衛(wèi)星)的共振破壞；另外，在軌運行階段，相機工作在微重力環(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，高剛度能保證相機在重力釋放下，相機結(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，相機主結(jié)構(gòu)必須保持各光學(xué)元件及成像器件相對位置的變化在公差設(shè)計要求范圍內(nèi)。

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

1空問相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，綜合比較之后…，相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計采用一次成像離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，相機孔徑光闌前設(shè)置一維指向鏡，使相機具有側(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空間相機主結(jié)構(gòu)設(shè)計

空間相機的主結(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、小型空間相機中應(yīng)用較為廣泛，主要優(yōu)點是技術(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、長焦距的大型空間相機上，如哈勃天文望遠鏡等。本相機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。

2．1相機主結(jié)構(gòu)設(shè)計

相機主結(jié)構(gòu)設(shè)計形式如圖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)果對主要受力的筋及壁進行了加厚。為了降低由于安裝、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)熱變形等引起的相機結(jié)構(gòu)變形，相機與衛(wèi)星的機械接口采用運動學(xué)機械安裝接口l4J，接IZl組件的三維模型如圖3所示該種運動學(xué)機械安裝接口的設(shè)計基于雙腳架撓性結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，在這種安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中，相機本體通過三個雙腳架組件固定到衛(wèi)星本體上。雙腳架的每一個撓性裝置等效于一個雙臂鉸鏈或十字形撓性裝置，可以避免力矩耦合到相機結(jié)構(gòu)上；雙腳架撓性安裝結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是具有較高的剛度。

2．2相機主框架材料選擇

目前常見的空間結(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)用時也各有一些缺點，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，相機結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足各光學(xué)元件的形位精度要求，RMS<1／50h(=632．8nm)，說明相機結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，整體結(jié)構(gòu)對稱性好，選取材料的物理特性匹配。整機結(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。為驗證相機結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用有限元建模軟件Patran和求解器Nastran對相機整體結(jié)構(gòu)進行固有模態(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算，并進行優(yōu)化設(shè)計，最終計算結(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)，相機動態(tài)剛度足夠高，表明整機結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)不會發(fā)生振動耦合；重力釋放和環(huán)境溫度變化工況分析結(jié)果表明，相機結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足各光學(xué)元件的形位精度要求，RMS<1／50h(=632．8nm)，說明相機結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，整體結(jié)構(gòu)對稱性好，選取材料的物理特性匹配。整機結(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

針對某空間相機的技術(shù)指標(biāo)要求和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，進行了相機的主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。有限元分析結(jié)果表明：相機的主結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，硼鋁合金材料主框架能夠滿足相機對整機結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度、熱穩(wěn)定性、重量等要求，雙腳架柔性機械接口能夠有效抑制衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)變形對相機主結(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械接口這兩種技術(shù)已經(jīng)在航天工程項目中得到實際應(yīng)用。