空間遙感相機柔性裝星結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

李慶林 魏鑫 張鳳芹

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星在軌運行時，安裝空間遙感相機的衛(wèi)星艙板溫度變化較大，由溫度變化引起的熱應(yīng)力會影響空間遙感相機的在軌成像品質(zhì)[1]。因此，研制一種連接空間遙感相機與衛(wèi)星的柔性裝置釋放溫度變化帶來的應(yīng)力對提高成像品質(zhì)有重要意義。

空間遙感相機與衛(wèi)星常用的連接方式是三點靜定支撐卸載方式[2]。該方式利用三點支撐，通過分配自由度實現(xiàn)靜定支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)空間遙感相機與衛(wèi)星的卸載安裝。但該結(jié)構(gòu)支撐剛度較差，很難滿足空間遙感相機裝星的剛度要求，往往需要增加輔助支撐提高剛度，在軌通過解鎖機構(gòu)解除多余的自由度約束，可靠性低，結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大。目前，文獻[3]提出了在連接處設(shè)置一定厚度的橡膠環(huán)，相當于在兩個剛形體之間加入了軟彈簧，有效地減小了外部干擾源的振動對成像品質(zhì)的影響；文獻[4]提出了采用軸承支撐元件釋放指定約束點的線位移，達到釋放熱應(yīng)力的目的。本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的釋放熱應(yīng)力的方法，該方法利用柔性鉸鏈的原理在空間遙感相機與衛(wèi)星連接處根據(jù)計算的角度設(shè)置不同方向的柔性片，不僅將衛(wèi)星大底板的熱變形卸載掉，同時又能夠保證足夠的支撐剛度，解決了衛(wèi)星底板的熱變形對空間遙感相機成像品質(zhì)產(chǎn)生的影響。

1 空間遙感相機柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 柔性支撐結(jié)構(gòu)原理

本文柔性卸載結(jié)構(gòu)是利用柔性鉸鏈原理[5-6]進行設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。柔性鉸鏈能夠提供豎直方向、沿柔性片方向的剛度，在該方向上具有一定程度的位移卸載能力。這樣通過與衛(wèi)星連接的四個安裝腳處合理選擇自由度釋放方向，就能夠?qū)崿F(xiàn)保證一定支撐剛度的前提下卸載掉衛(wèi)星載荷艙頂部構(gòu)架熱變形引起的熱應(yīng)力[7]。

圖1 本文設(shè)計的柔性結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Diagram of the flexible structure

在空間遙感相機與衛(wèi)星相連接的四個柔性支撐結(jié)構(gòu)中，一個安裝腳采用固定約束，另外三個安裝腳根據(jù)空間遙感相機構(gòu)型設(shè)置不同方向的柔性鉸鏈，實現(xiàn)空間遙感相機相對于衛(wèi)星的準靜定支撐方式和對衛(wèi)星艙板熱變形的卸載。如圖2所示的安裝位置，A處為固支點，其余三處根據(jù)不同約束情況設(shè)計了不同的柔性支撐結(jié)構(gòu)[8-9]。A處的柔性支撐結(jié)構(gòu)采用十字交叉方向放置柔性片，B和D處的柔性支撐結(jié)構(gòu)采用與安裝點連線垂直方向放置柔性片，C處的柔性支撐結(jié)構(gòu)采用與安裝點對角線垂直方向放置柔性片，圖中箭頭所示為各柔性裝置卸載熱應(yīng)力的方向。

圖2 空間遙感相機四個安裝腳卸載方向示意Fig.2 Diagram of unloading structure on four feet of space remote sensing camera

1.2 柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮柔性片的厚度、高度以及角度等因素[10-11]。主要從下面兩點對結(jié)構(gòu)進行分析：

1）自由度釋放方向的確定，利用有限元仿真分析手段確定每個支撐結(jié)構(gòu)的最佳自由度釋放方向，判據(jù)是反射鏡角度變化最??；

2）柔性支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計，通過優(yōu)化柔性片的數(shù)量、高度、厚度等參數(shù)，目標是在對空間遙感相機裝星剛度減小最小的條件下最大限度地釋放衛(wèi)星底板的熱變形。

根據(jù)以上兩方面的分析，柔性支撐結(jié)構(gòu)的柔性片的高度范圍為10～40mm，厚度范圍為0.5～3mm。結(jié)合某型號空間遙感相機實際情況選取柔性片的高度為20mm，固支點處采用十字交叉方向放置柔性片，其余安裝位置采用三片柔性片結(jié)構(gòu)，柔性片的放置角度有兩種形式[12]，其中一種柔性片角度為90°放置，另一種柔性片角度為60°放置，具體模型見圖3所示。

圖3 柔性結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Diagram of the flexible structure

2 柔性片結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

在確定了柔性支撐結(jié)構(gòu)的高度和柔性片數(shù)量后，利用Patran/Nastran有限元分析軟件對柔性片的厚度及選材進行了仿真優(yōu)化分析。選取了厚度分別為1.0、1.5、2.5、3.0 mm，材料分別為鈦合金和鋁合金共八種組合方案，從熱變形和空間相機整機模態(tài)兩方面進行了優(yōu)選，優(yōu)選目標是衛(wèi)星對空間遙感相機的要求，一階模態(tài)大于100Hz，反射鏡變化小于10″[13]。

2.1 熱變形分析

衛(wèi)星艙板一般溫度控制范圍在0～25℃之間，空間遙感相機一般溫度控制范圍在18～22℃之間，熱變形分析采用的工況設(shè)置為空間遙感相機溫度為20℃，衛(wèi)星艙板溫度波動5℃。空間遙感相機以三反離軸式光學(xué)系統(tǒng)為研究對象，該光學(xué)系統(tǒng)由三塊反射鏡組成，分析在衛(wèi)星溫度變化 5℃時引起的結(jié)構(gòu)變形對空間遙感相機中三塊反射鏡角度變化情況[14-15]，以三塊反射鏡角度變化值來衡量柔性卸載結(jié)構(gòu)的性能，角度變化越小，柔性卸載結(jié)構(gòu)性能越高。仿真分析時，統(tǒng)計三塊反射鏡在衛(wèi)星艙板溫度變化 5℃前后，其背部平面相對自身的偏轉(zhuǎn)角度，見表1所示。

表1 柔性結(jié)構(gòu)熱卸載能力分析結(jié)果表Tab. 1 Analysis results of the thermal unloading of the flexible structure

分析結(jié)果顯示，鋁合金材料比鈦合金材料卸載性能高，同種材料下隨著柔性片厚度的增加卸載性能降低，在這八種方案中，鋁合金材料1mm厚的結(jié)構(gòu)形式卸載性能最高。

2.2 模態(tài)分析

柔性支撐結(jié)構(gòu)性能越高，剛度越差，為保證空間遙感相機順利通過火箭發(fā)射段的振動，需綜合考慮柔性結(jié)構(gòu)的柔性和剛度。柔性支撐結(jié)構(gòu)的剛度以其模態(tài)進行考核，進行模態(tài)分析時，將柔性支撐結(jié)構(gòu)與某型號空間遙感相機相連，約束柔性支撐結(jié)構(gòu)上與衛(wèi)星連接面中間的圓孔。八種方案下柔性結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真結(jié)果如表2所示。

表2 柔性結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果表Tab.2 Results of the modal analysis of the flexible structure

分析結(jié)果顯示，鋁合金材料的模態(tài)頻率低于鈦合金材料，同種材料下隨著柔性片厚度的增加模態(tài)頻率增高，八種方案中鈦合金材料3.0mm厚結(jié)構(gòu)形式的模態(tài)頻率最高。

2.3 優(yōu)化分析總結(jié)

根據(jù)優(yōu)選目標，鈦合金材料中1.5、2.5mm和鋁合金材料中3.0mm的柔性支撐結(jié)構(gòu)能滿足要求，鈦合金材料1.5mm厚的柔性支撐結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的綜合性能。

3 空間遙感相機柔性支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

將柔性支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某型號空間遙感相機，該空間遙感相機的外形尺寸為750mm（長）×500mm（寬）×700mm（高）[16]。圖4為四個柔性支撐結(jié)構(gòu)安裝位置，其中A點位置為十字交叉結(jié)構(gòu)形式，B點和D點位置為90°結(jié)構(gòu)形式，C點位置為60°結(jié)構(gòu)形式。

3.1 力學(xué)環(huán)境模擬試驗

力學(xué)環(huán)境模擬試驗包括正弦振動試驗和隨機振動試驗。試驗過程中在相機關(guān)鍵部位粘貼了四個測點，分別位于反射鏡一（測點1）、反射鏡二（測點2）、反射鏡三（測點3）和焦面組件（測點4）。通過試驗測出空間遙感相機的一階固有頻率為112Hz，二階固有頻率為167Hz，三階固有頻率為263Hz，其隨機振動試驗結(jié)果如表3所示。

圖4 空間遙感相機與柔性結(jié)構(gòu)連接示意Fig.4 Diagram of connection between space remote sensing camera and flexible structure

表3 隨機振動試驗中各測點放大倍數(shù)Tab.3 Magnification of measured points in random vibration test

根據(jù)空間遙感相機主振固有頻率試驗數(shù)據(jù)可以看出一階頻率大于100Hz，能夠滿足該空間遙感相機發(fā)射要求；根據(jù)表3隨機振動試驗數(shù)據(jù)中的響應(yīng)放大倍數(shù)，將其最大的放大倍數(shù)轉(zhuǎn)化成靜力學(xué)進行空間相機關(guān)鍵部位的強度校核，通過強度計算校核，空間遙感相機關(guān)鍵部位材料的強度具有5倍以上的裕度，能夠滿足該力學(xué)環(huán)境模擬試驗的要求。

3.2 真空環(huán)境模擬熱試驗

真空熱試驗利用真空罐來模擬空間遙感相機在軌的環(huán)境，其中空間遙感相機外界太陽光照射等環(huán)境通過外熱流進行模擬，外熱流包含高溫穩(wěn)態(tài)、高溫瞬態(tài)、低溫穩(wěn)態(tài)和低溫瞬態(tài)四種狀態(tài)，對空間遙感相機進行高低溫循環(huán)試驗和溫度拉偏試驗等試驗項目。

真空環(huán)境模擬試驗以相機調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來衡量柔性卸載結(jié)構(gòu)的性能，空間遙感相機在試驗中各個工況下進行了相機MTF測試，各工況下MTF值均大于0.3，不同工況下MTF變化值小于0.02，能滿足相機成像指標要求，并具有較好的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果說明空間遙感相機采用柔性支撐結(jié)構(gòu)起到了較好的熱變形卸載效果，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)束語

通過對空間遙感相機裝星自由度釋放裝置的計算機仿真分析及試驗驗證，可以看出該裝置方案可以滿足空間遙感相機與衛(wèi)星的連接要求，裝星連接方式靈活，適用于各種結(jié)構(gòu)形式的空間遙感相機裝星，為空間遙感相機與衛(wèi)星連接提供了一種新的裝配方式。

該裝置與現(xiàn)有裝星方式相比具有以下優(yōu)點：

1）分布在不同位置的柔性支撐結(jié)構(gòu)分別布置了不同方向的柔性片，充分考慮到多角度自由度釋放的方向，可以有效的卸載衛(wèi)星大底板由于溫度變化而產(chǎn)生的熱變形載荷；

2）柔性片的數(shù)量、高度以及厚度可以根據(jù)空間遙感相機的情況適當調(diào)節(jié)，以保證空間遙感相機具有足夠的剛度，同時使基頻滿足總體要求；

3）柔性支撐結(jié)構(gòu)件接觸面小，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，具有良好的加工性。

（

）

[1] 盧鍔, 孫同和, 韓雙麗, 等. 空間遙感相機對力學(xué)與空間熱環(huán)境適應(yīng)性的研究[J]. 光學(xué)精密工程, 2003, 11（4）:18-23. LU E, SUN Tonghe, HAN Shuangli, et al. Adaptability of Optical Remote Sensors to Mechanical and Space Thermal Environments[J]. Optics and Precision Engineering. 2003, 11（4）: 18-23. （in Chinese）

[2] 王建永, 滿益云, 傅丹鷹, 等. 國外高分辨率相機與衛(wèi)星平臺連接方式綜述[J]. 航天返回與遙感, 2009, 30（4）: 36-41. WANG Jianyong, MAN Yiyun, FU Danying, et al. The Summarization of Connection Ways between Foreign High-resolution Camera and Platform[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing. 2009, 30（4）: 36-41. （in Chinese）

[3] 孫德偉, 張廣玉, 王武義, 等. 空間相機鏡筒柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)分析[J]. 機械設(shè)計與制造, 2010 （10）:1-3. SUN Dewei, ZHANG Guangyu, WANG Wuyi, et al. Structural Design and Dynamic Analysis of the Flexible Support of Body Tube in Space Camera[J]. Machinery Design & Manufacture, 2010 （10）: 1-3. （in Chinese）

[4] 費從宇, 崔偉. 支撐元件對平板結(jié)構(gòu)熱變形的影響[J]. 強度與環(huán)境, 2001 （3）: 10-13. FEI Congyu, CUI Wei. The Influence of Support Elements on Thermal Deformation of Plates[J]. Structure & Encironment Engineering, 2001（3）: 10-13. （in Chinese）

[5] 王紀武, 陳懇, 李嘉, 等. 典型柔性鉸鏈精度性能的研究[J]. 清華大學(xué)學(xué)報, 2001, 41（11）: 49-52. WANG Jiwu, CHEN Ken, LI Jia, et al. Precision of Typical Flexible Hinges[J]. Tsinghua Univ （Sci & Tech）, 2001, 41（11）: 49-52. （in Chinese）

[6] 辛洪兵, 鄭偉智, 趙罘. 彈性鉸鏈研究[J]. 光學(xué)精密工程, 2003, 11（1）: 89-93. XIN Hongbing, ZHENG Weizhi, ZHAO Fu. Research on Flexible Hinges[J]. Optics and Precision Engineering, 2003, 11（1）: 89-93. （in Chinese）

[7] Choi K B, Lee J J, Kim M Y. Cartwheel Flexure-based Compliant Stage for Large Displacement Driven by a Stack-type Piezoelectric Element[C]. International Conference on Control, Automation and Systems, Seoul, Korea. Piscataway: IEEE, 2007: 2754-2758.

[8] 吳鷹飛, 周兆英. 柔性鉸鏈的設(shè)計計算[J]. 工程力學(xué), 2002, 19（6）: 136-140. WU Yingfei, ZHOU Zhaoying. Design and Analysis of Flexure Hinges[J]. Engineering Mechanics, 2002, 19（6）: 136-140. （in Chinese）

[9] 于靖軍, 裴旭, 畢樹生, 等. 柔性鉸鏈機構(gòu)設(shè)計方法的研究進展[J]. 機械工程學(xué)報, 2010, 46（13）: 2-13. YU Jingjun, PEI Xu, BI Shunsheng, et al. State-of-the-arts of Design Method for Flexure Mechanisms[J], Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46（13）: 2-13. （in Chinese）

[10] LIU Xinjun, WANG Jinsong, WANG Liping, et al. On the Design of 6-DOF Parallel Micro-motion Manipulators[C]. Proc. of the 2001 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, Piscataway: IEEEM, 2001: 343-348.

[11] Ryu J W, Gweon D G, Moon K S. Optimal Design of a Flexure Hinge Based XYθ Wafer Stage[J]. Precision Engieering, 1997, 21（1）: 18-28.

[12] BI Shusheng, ZHAO Hongzhe, YU Jingjun. Modeling of a Cartwheel Flexural Pivot[J]. Journal of Mechanical Design, 2009, 131（6）: 061010-1-061010-9.

[13] 范斌, 蔡偉軍, 張孝弘, 等. “資源三號”衛(wèi)星多光譜相機技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33（3）: 75-84. FAN Bin, CAI Weijun, ZHANG Xiaohong, et al. Technology of the Multi-spectral Camera of ZY-3 Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33（3）: 75-84. （in Chinese）

[14] 楊懌, 張偉, 陳時錦, 等. 光機熱集成分析中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口的研究[J]. 宇航學(xué)報, 2005, 26（2）: 83-87. YANG Yi, ZHANG Wei, CHEN Shijin, et al. Study on Data Transmission Tool for Thermal/Structural/Optical Integrated Analysis[J]. Journal of Astronautics, 2005, 26（2）: 83-87. （in Chinese）

[15] 邵登云. 基于熱-結(jié)構(gòu)耦合的光學(xué)系統(tǒng)熱影響分析[D]. 西安電子科技大學(xué), 2010. SHAO Dengyun. The Analysis of Thermal Impact for Optical System Based on Thermal-structure Coupled Theory[D]. Xi’an University of Electronic Science and Technology, 2010. （in Chinese）

[16] 蔡偉軍, 范斌, 張鳳芹, 等. 多光譜相機高穩(wěn)定性光機結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33（3）: 85-92 CAI Weijun, FAN Bin, ZHANG Fengqin, et al. High Opto-mechanical Stability Design of Multi-spectral Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing. 2012, 33（3）: 85-92. （in Chinese）