同轴三反空间相机结构稳定性研究
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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叠,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。
摘要 | 第5-7页 |
Abstract | 第7-8页 |
第1章 绪论 | 第13-29页 |
1.1 空间相机研究现状 | 第14-20页 |
1.2 空间相机发展趋势 | 第20-23页 |
1.3 空间相机结构稳定性 | 第23-26页 |
1.3.1 结构稳定性概述 | 第23-24页 |
1.3.2 结构稳定性研究方法 | 第24-26页 |
1.4 课题来源及主要研究内容 | 第26-27页 |
1.5 本章小结 | 第27-29页 |
第2章 空间相机力学环境及分析方法 | 第29-39页 |
2.1 空间相机力学环境 | 第29-32页 |
2.1.1 重力(静力学)环境 | 第30页 |
2.1.2 动力学环境 | 第30-32页 |
2.2 载荷分析及结构响应评价 | 第32-35页 |
2.2.1 载荷分析 | 第32-34页 |
2.2.2 空间相机的结构响应评价 | 第34-35页 |
2.3 基于有限元的力学分析方法 | 第35-38页 |
2.3.1 有限元法的原理 | 第35-36页 |
2.3.2 有限元法的分析过程 | 第36-37页 |
2.3.3 有限元建模原则和分析精度 | 第37-38页 |
2.4 本章小结 | 第38-39页 |
第3章 空间相机反射镜支撑设计与分析 | 第39-71页 |
3.1 研究路线 | 第39-41页 |
3.2 光学方案简介 | 第41-50页 |
3.2.1 光学系统选择 | 第41-46页 |
3.2.2 光学元件的加工及装配公差分析 | 第46-47页 |
3.2.3 空间相机的像质评价 | 第47-49页 |
3.2.4 反射镜材料选取原则 | 第49-50页 |
3.3 主反射镜支撑设计 | 第50-56页 |
3.3.1 主镜支撑结构设计原则 | 第51页 |
3.3.2 支撑方式和支撑点选择 | 第51-52页 |
3.3.3 柔性支撑结构形式对比与分析 | 第52-56页 |
3.4 主镜支撑结构稳定性分析 | 第56-63页 |
3.4.1 分析方法选择 | 第56-58页 |
3.4.2 重力作用的影响 | 第58-61页 |
3.4.3 温度变化的影响 | 第61页 |
3.4.4 模态分析 | 第61-63页 |
3.4.5 分析结果 | 第63页 |
3.5 主镜支撑结构稳定性验证 | 第63-66页 |
3.5.1 0.2 g 正弦扫频试验 | 第63-64页 |
3.5.2 温度影响试验 | 第64-65页 |
3.5.3 重力影响试验 | 第65-66页 |
3.6 调焦镜支撑设计与分析 | 第66-70页 |
3.6.1 调焦镜支撑结构设计 | 第66-67页 |
3.6.2 支撑结构原理 | 第67-68页 |
3.6.3 调焦镜支撑结构稳定性分析 | 第68-69页 |
3.6.4 调焦镜结构稳定性试验 | 第69-70页 |
3.7 本章小结 | 第70-71页 |
第4章 空间相机关键结构设计与分析 | 第71-89页 |
4.1 相机结构方案选择 | 第71-74页 |
4.1.1 支撑结构形式 | 第71-72页 |
4.1.2 相机结构组成 | 第72-74页 |
4.1.3 相机支撑结构材料 | 第74页 |
4.2 中筒稳定性设计与分析 | 第74-82页 |
4.2.1 中筒支撑结构参数研究 | 第74-76页 |
4.2.2 中筒静力学计算方法 | 第76-80页 |
4.2.3 中筒结构稳定性分析 | 第80-82页 |
4.3 碳纤维支架结构设计与分析 | 第82-84页 |
4.3.1 碳纤维材料特性 | 第82页 |
4.3.2 支架结构形式 | 第82-84页 |
4.3.3 碳纤维支架稳定性分析 | 第84页 |
4.4 调焦组件设计与分析 | 第84-88页 |
4.4.1 调焦组件结构设计 | 第84-86页 |
4.4.2 调焦组件可靠性保证措施 | 第86-87页 |
4.4.3 调焦组件稳定性验证 | 第87-88页 |
4.5 本章小结 | 第88-89页 |
第5章 空间相机结构稳定性分析及试验 | 第89-107页 |
5.1 光机综合分析法 | 第89-92页 |
5.1.1 Zernike 多项式 | 第90-91页 |
5.1.2 光学分析软件的数据输入 | 第91-92页 |
5.2 整机工程分析 | 第92-95页 |
5.2.1 整机建模 | 第92页 |
5.2.2 模态分析 | 第92-93页 |
5.2.3 重力载荷作用分析 | 第93页 |
5.2.4 ±5℃温变作用分析 | 第93-94页 |
5.2.5 动力学分析 | 第94-95页 |
5.2.6 整机工程分析结果 | 第95页 |
5.3 环境因素对光学性能的影响分析 | 第95-100页 |
5.3.1 重力作用对光学性能的影响 | 第96-98页 |
5.3.2 温度变化对光学性能的影响 | 第98-100页 |
5.4 空间相机振动试验 | 第100-105页 |
5.4.1 试验原理及条件 | 第100-102页 |
5.4.2 试验内容 | 第102-104页 |
5.4.3 试验结果讨论 | 第104-105页 |
5.4.4 误差分析 | 第105页 |
5.5 本章小结 | 第105-107页 |
第6章 同轴三反空间相机的结构改进 | 第107-117页 |
6.1 同轴三反光学系统 | 第107-111页 |
6.1.1 同轴光学系统 | 第108页 |
6.1.2 折轴光学系统 | 第108-111页 |
6.2 折轴空间相机结构设计 | 第111-112页 |
6.3 折轴空间相机结构分析与比较 | 第112-116页 |
6.3.1 整机建模 | 第113页 |
6.3.2 模态分析 | 第113-114页 |
6.3.3 重力及温度作用分析 | 第114-115页 |
6.3.4 结果分析与比较 | 第115-116页 |
6.4 本章小结 | 第116-117页 |
第7章 结论与展望 | 第117-121页 |
7.1 结论 | 第117-118页 |
7.2 展望 | 第118-121页 |
参考文献 | 第121-125页 |
在学期间学术成果情况 | 第125-126页 |
指导教师及作者简介 | 第126-127页 |
致谢 | 第127页 |
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