大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

宋伟阳; 解鹏; 王循

doi:10.37188/OPE.20212903.0571

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

更新时间：2021-04-09

- 大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计
- Design of lightweight split support structure for large space off-axis three mirror camera
- 光学精密工程 2021年29卷第3期页码：571-581
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
  3.中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室，吉林长春 130033
- 作者简介：
  
  [ "宋伟阳（1993-），男，河北承德人，博士研究生， 2017年于东北大学获得学士学位，主要从事空间光学遥感器支撑结构方面的研究。E-mail：swy_ucas@163.com" ]
  [ "解　鹏（1985-），男，山东聊城人，硕士，副研究员，2007年于中国科学技术大学获得学士学位，2010年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位，研究方向为空间光学遥感器光机系统设计。E-mail： xiepeng@ciomp.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重大科研仪器研制项目资助(51827806)
- DOI：10.37188/OPE.20212903.0571
  中图分类号： V443.5
- 收稿日期：2020-10-13，
  
  修回日期：2020-11-09，
  
  纸质出版日期：2021-03-15
- 稿件说明：
移动端阅览
宋伟阳,解鹏,王循.大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计[J].光学精密工程,2021,29(03):571-581.

SONG Wei-yang,XIE Peng,WANG Xun.Design of lightweight split support structure for large space off-axis three mirror camera[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(03):571-581.
宋伟阳,解鹏,王循.大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计[J].光学精密工程,2021,29(03):571-581. DOI： 10.37188/OPE.20212903.0571.

SONG Wei-yang,XIE Peng,WANG Xun.Design of lightweight split support structure for large space off-axis three mirror camera[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(03):571-581. DOI： 10.37188/OPE.20212903.0571.

摘要

针对某1 m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求，设计了一种轻型分体支撑结构。首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发，综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料；然后以结构质量分数为约束条件，建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型，得到了拓扑结果清晰的各分体结构最优传力路径；进一步对主支撑结构各部分尺寸进行二次优化，得到了各分体结构的最佳构型和最优设计尺寸。设计后的分体支撑结构总重为227.8 kg，轻量化率达到93.9%，满足了高轻量化和高刚度要求。有限元分析结果及力学样机试验结果表明：分体支撑结构满足遥感相机整机基频大于50 Hz的刚度要求，在升温5 ℃工况下反射镜变形在公差范围之内，完全符合卫星平台对光学载荷的要求；力学样机在振动实验前后反射镜组件相对偏移角度均不超过22″，具有较好的稳定性，证明了拓扑优化和尺寸优化方法的合理性和可行性。本文提出的分体支撑结构设计对大型空间离轴相机支撑设计具有较高的工程实践价值。

Abstract

According to the design requirements of lightweight and high-stiffness large-scale space camera frame support structures with a 1-m resolution and 200-km width， a lightweight split support structure is designed. In this study， a high-volume SiCp/Al composite material with good performance is selected based on the development requirements of a large space off-axis three-mirror camera， including the specific stiffness， thermal stability， and processing technology. Then， with the structure mass fraction as the constraint condition， a topology optimization mathematical model is established with the fundamental frequency as the objective function， and the optimal force transfer path of each split structure with clear topological results is obtained. The size of each part of the main support structure is optimized， and the optimal configuration and design size of each split structure are obtained. After the design， the total weight of the split support structure was 227.8 kg， and the lightweight rate reached 93.9%， which meets the requirements of high lightweight and stiffness. The results of finite-element analysis and mechanical prototype test show that the split support structure meets the stiffness requirements of the whole remote sensing camera with the fundamental frequency greater than 50 Hz， and the deformation of the mirror is within the tolerance range under the working condition of 5 °C， which fully satisfies the requirements of the satellite platform for optical loads. The mechanical prototype mirror assembly offset angle is less than 22° before and after the vibration test， showing its good stability， which proves the rationality and feasibility of the topology optimization and size optimization methods. The design of the proposed split support structure has a high engineering practice value for the support design of large space off-axis cameras.

关键词

Keywords

references

孙永雪，夏振涛，韩海波，等 . 大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析［J］. 应用光学， 2018 ， 39 （ 6 ）： 803 - 808 .

SUN Y X ， XIA ZH T ， HAN H B ， et al . . Design and tolerance analysis of infrared off axis three mirror optical system with large aperture ［J］. Journal of Applied Optics ， 2018 ， 39 （ 6 ）： 93 - 97 . （in Chinese）

沈志娟 . 大视场离轴三反光学系统设计［J］. 光电技术应用， 2020 ， 35 （ 2 ）： 24 - 27+64 .

SHEN Z J . Design of large field of view off-axis three-mirror reflective optical system ［J］. Electro-Optic Technology Application ， 2020 ， 35 （ 2 ）： 24 - 27+64 . （in Chinese）

IWATA T ， ISHIDA H ， OSAWA Y . Advanced Land Observing Satellite （ALOS）： Enabling technologies and platform performance ［J］. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering ， 2008 ： 7106 .

席佳利，张雷，解鹏，等 . 离轴三反空间相机主支撑结构优化设计与试验［J］. 光电工程， 2016 ， 43 （ 7 ）： 45 - 51 .

XI J L ， ZHANG L ， XIE P ， et al . Optimization Design and test of the supporting structure for the off-axis three-mirror reflective space camera ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2016 ， 43 （ 7 ）： 45 - 51 . （in Chinese）

安明鑫 . 大型空间相机桁架结构稳定性研究［D］. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 2017 .

AN M X . Study on the Stability of Truss Structure of Large Space Camera ［D］. Changchun ： Changchun Institute of optical precision machinery and physics ， Chinese Academy of Sciences ， 2017

李丽富 . 空间相机结构设计与优化［D］. 长春：吉林大学， 2014 .

LI L F . Structural Design and Optimization of Space Camera ［D］. Changchun ： Jilin University ， 2014 . （in Chinese）

EDWARD K ， GEIR K . Landsat-8 operational land imager design， characterization and performance ［J］. Remote Sensing ， 2014 ， 6 （ 11 ）： 10286 - 10305 .

KUSSUL N ， LEMOINE G ， GALLEGO F J ， et al . . Parcel-based crop classification in ukraine using landsat-8 data and sentinel-1a data ［J］. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing ， IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing ， 2016 ， 9 （ 6 ）： 2500 - 2508 .

李畅，何欣，刘强 . 高体份SiC/Al复合材料空间相机框架的拓扑优化设计［J］. 红外与激光工程， 2014 ， 43 （ 8 ）： 2526 - 2531 .

LI CH ， HE X ， LIU Q . Design and topology optimization of space camera frame fabricated by high volume fraction SiC/Al composite material ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2014 ， 43 （ 8 ）： 2526 - 2531 . （in Chinese）

田富湘，何欣 . 基于高体分SiC_p/Al材料的空间相机主支撑结构研制［J］. 红外， 2015 ， 36 （ 11 ）： 36 - 40 .

TIAN F X ， HE X . Development of Welded Space Camera Supporting Structure Based on High Volume SiC_p/Al Composites ［J］. Infrared ， 2015 ， 36 （ 11 ）： 36 - 40 . （in Chinese）

郭疆，邵明东，王国良，等 . 空间遥感相机碳纤维机身结构设计［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 3 ）： 571 - 578 .

GUO J ， SHAO M D ， WANG G L ， et al . . Design of optical-mechanical structure made of CFC in space remote sensing camera ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 3 ）： 571 - 578 . （in Chinese）

任建岳，陈长征，何斌，等 . SiC和SiC/Al在TMA空间遥感器中的应用［J］. 光学精密工程， 2008 ， 16 （ 12 ）： 2537 - 2543 .

REN J Y ， CHEN CH ZH ， HE B ， et al . . Application of SiC and SiC/Al to TMA optical remote sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2008 ， 16 （ 12 ）： 2537 - 2543 . （in Chinese）

王超，张宁，王玉金，等 . 基于3D打印的空间光学相机结构设计［J］. 航天返回与遥感， 2020 ， 41 （ 1 ）： 85 - 90 .

WANG CH ， ZHANG N ， WANG Y J ， et al . . Structure design of space optical camera based on 3D printing ［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing ， 2020 ， 41 （ 1 ）： 85 - 90 . （in Chinese）

杨帅，沙巍，陈长征，等 . 空间相机碳纤维框架的设计与优化［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 3 ）： 697 - 705 .

YANG SH ， SHA W ， CHEN CH ZH ， et al . . Design and optimization of carbon fiber framework for space camera ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 3 ）： 697 - 705 . （in Chinese）

孔德成，刘伟，颜昌翔，等 . 空间卫星相机安装固定基频性能优化设计［J］. 计算机仿真， 2019 ， 36 （ 6 ）： 98 - 102 .

KONG D CH ， LIU W ， YAN CH X ， et al . . Optimization design of fundamental frequency ［J］. Computer Simulation ， 2019 ， 36 （ 6 ）： 98 - 102 . （in Chinese）

王泰雷，张雷，贾学志，等 . 微纳遥感相机一体式超轻主支撑结构优化设计［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 7 ）： 417 - 424 .

WANG T L ， ZHANG L ， JIA X ZH ， et al . . Optimization design of integrated ultra-light main support structure for micro-nano remote sensing camera ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 7 ）： 417 - 424 . （in Chinese）

刘奉昌，李威，董吉洪，等 . 深空探测相机超轻主支撑结构优化设计［J］. 红外与激光工程， 2019 ， 48 （ 12 ）： 217 - 224 .

LIU F CH ， LI W ， DONG J H ， et al . . Optimization design of the ultra-light main supporting structure of deep space detection camera ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2019 ， 48 （ 12 ）： 217 - 224 . （in Chinese）

高强，吴艳红，栾金择，等 . 正弦扫频速率对结构响应的影响分析［J］. 航天器环境工程， 2020 ， 37 （ 3 ）： 250 - 257 .

GAO Q ， WU Y H ， LUAN J Z ， et al . . The influence of sweep rate on the structure responses of sine-sweep excitations . ［J］. Spacecraft Environment Engineering ， 2020 ， 37 （ 3 ）： 250 - 257 . （in Chinese）

浏览量

1306

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

双向高过载硅基差压敏感元件的研制

基于拓扑优化的电渗流微混合器电极

大口径望远镜中间体拓扑优化及形位公差检测

基于碳纤维框架天基目标探测二维跟踪转台结构优化

微小卫星星敏感器支架的优化设计与试验