一種新型多功能BIPOD相機支撐技術(shù)設(shè)計與驗證

宮輝 練敏隆 石志城 賈濤 童衛(wèi)明 連華東

一種新型多功能BIPOD相機支撐技術(shù)設(shè)計與驗證

宮輝 練敏隆 石志城 賈濤 童衛(wèi)明 連華東

（北京空間機電研究所，北京 100094）

空間相機結(jié)構(gòu)頻率需避開火箭振動頻率的波峰，在軌成像時需隔離衛(wèi)星平臺的微振動。基于相機支撐結(jié)構(gòu)發(fā)射段高頻率、在軌段低頻率的需求，設(shè)計了一種兼具鎖緊隔振功能的兩腳架（BIPOD）支撐結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在相機發(fā)射過程中鎖緊，入軌成像階段解鎖，解鎖狀態(tài)具備隔離低頻振動的能力。其中鎖緊機構(gòu)由卡箍、切割器鎖緊，由彈簧驅(qū)動分離；隔振結(jié)構(gòu)阻尼膠采用聚氨酯材料，該材料的振動傳遞率低于0.2，其彈性模量（）通過拉力試驗獲得。設(shè)計并投產(chǎn)了BIPOD結(jié)構(gòu)試驗件，完成了相機的正弦振動及隨機振動試驗，振動試驗結(jié)果表明BIPOD鎖緊時一階頻率25.99Hz，超出相機發(fā)射的頻率要求（25Hz）；利用力錘敲擊法測試了相機解鎖模態(tài)，一階頻率7.03Hz，能抑制制冷機10Hz以上的低頻振動。上述測試結(jié)果表明BIPOD結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足項目需求。

鎖緊 隔振 支撐結(jié)構(gòu) 空間相機

0 引言

航天器從制造到任務(wù)終止全壽命周期需經(jīng)歷振動、沖擊、噪聲、加速度和微重力環(huán)境[1-2]。空間相機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要克服發(fā)射段的大量級振動及在軌工作時的微振動兩種力學(xué)環(huán)境。在傳統(tǒng)的相機研制中，相機結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計的核心是天地一致性原則[3]，即相機在軌狀態(tài)與地面試驗狀態(tài)一致，相機支撐結(jié)構(gòu)只需承受火箭的大量級振動。為避免與運載火箭共振，相機結(jié)構(gòu)采用高剛度設(shè)計原則。隨著相機分辨率需求的提高，以及長焦距光學(xué)系統(tǒng)、小尺寸探測器件的廣泛應(yīng)用，相機對衛(wèi)星平臺上的微振動變得敏感，即便是微小振動也會帶來相機光軸的抖動，造成傳函的降低、像質(zhì)的模糊[4]。因此，相機鏡頭支撐結(jié)構(gòu)需要隔離來自衛(wèi)星平臺的微振動，一般采用低剛度隔振設(shè)計技術(shù)。這就導(dǎo)致相機鏡頭支撐結(jié)構(gòu)需要具備兩種不同的剛度模式。

相機鏡頭支撐結(jié)構(gòu)發(fā)射段的高剛度、在軌成像階段的低剛度模式，給設(shè)計工作帶來挑戰(zhàn)。常用的解決方案是采用組合式技術(shù)方案，即支撐結(jié)構(gòu)由鎖緊機構(gòu)和隔振器兩套設(shè)備組成，相機在發(fā)射段鎖緊，進(jìn)入軌道后解鎖。這種方案機械接口多，為了減小裝配帶來的應(yīng)力，在設(shè)計及加工中需要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)件的公差，增加了成本和裝配難度；并且由于機械接口數(shù)量的增多，也帶來了附屬結(jié)構(gòu)件質(zhì)量增大的問題。

本文設(shè)計了一套新型多功能兩腳架（BIPOD）支撐結(jié)構(gòu)，兼具鎖緊與隔振功能，機械接口簡單，質(zhì)量小，裝配工藝簡單。

1 BIPOD結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

1.1 鏡頭支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計需求

某光學(xué)遙感相機采用同軸式光學(xué)系統(tǒng)，主鏡口徑超過1 400mm。相機光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)

同軸反射式光學(xué)系統(tǒng)的特點是主、次鏡光軸共軸線，折鏡及透鏡等光學(xué)元件、焦面均位于主鏡背后。因此，相機鏡頭必須通過懸臂式支撐結(jié)構(gòu)安裝到衛(wèi)星對地板上。為避免多個安裝點影響鏡頭面形，同時減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，相機通常采用三組BPIOD形成準(zhǔn)靜定式支撐結(jié)構(gòu)。

根據(jù)火箭振動特性可知，火箭在0～20Hz內(nèi)存在振動波峰。為了避開火箭的波峰，同時預(yù)留頻率差值裕度，相機鏡頭在發(fā)射段的結(jié)構(gòu)頻率需要高于25Hz。

相機在軌工作時的隔振頻率需要避開太陽翼、柔性遮光罩等設(shè)備的低頻擾動（本設(shè)計避不開）和制冷機、動量輪等設(shè)備的高頻振動。常用的隔振技術(shù)有主動式、半主動式和被動式三種[5]。對于通光口徑較大的遙感衛(wèi)星，比較成熟的是被動隔振技術(shù)，如：哈勃望遠(yuǎn)鏡使用被動隔振裝置隔離反作用輪擾動[6]；國內(nèi)亞米級商業(yè)遙感衛(wèi)星，在相機與衛(wèi)星安裝面設(shè)置被動隔振器[7-8]。主動式隔振技術(shù)方面，美國空軍實驗室在SUITE衛(wèi)星上使用了壓電陶瓷作為主動隔振作動器的高強度隔振平臺[9]。被動隔振設(shè)計的核心指標(biāo)是隔振頻率，根據(jù)低通濾波的被動隔振原理[10]，隔振頻率越低，高頻減振越明顯。在航天工程應(yīng)用中，隔振頻率通常大于5～10倍星上固有低頻[11]。根據(jù)衛(wèi)星平臺的低頻擾振特性，鏡頭在軌工作時的頻率需高于5Hz，且不超過9Hz。

1.2 BIPOD結(jié)構(gòu)方案選擇

兼顧鎖緊與隔振的BIPOD結(jié)構(gòu)方案有兩種：1）在BIPOD與相機鏡頭安裝面之間設(shè)置鎖緊機構(gòu)、隔振器，鎖緊機構(gòu)與隔振器并聯(lián)，如圖2（a）所示。鎖緊裝置直接承擔(dān)載荷重量，需要大負(fù)載能力，常用類型為分離螺母。這種設(shè)計方案中鎖緊裝置、隔振器及附屬結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量、尺寸均較大。2）在BIPOD支撐腿上設(shè)置鎖緊機構(gòu)、隔振器，隔振器與鎖緊機構(gòu)串聯(lián)，如圖2（b）所示。鎖緊裝置不直接承擔(dān)載荷重量，可以選用輕小型解鎖裝置。

本項目中，相機鏡頭最大外徑2 000mm，質(zhì)量約580kg。第一種方案的鎖緊裝置、隔振器為單獨的兩套設(shè)備，機械接口和附屬件多，總質(zhì)量大。第二種方案是對BIPOD自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，機械接口簡單，附屬結(jié)構(gòu)件少，總質(zhì)量小。經(jīng)過初步的設(shè)計論證，第二種BIPOD結(jié)構(gòu)質(zhì)量比第一種輕6kg，3組BIPOD可減小質(zhì)量約18kg。因此，選擇串聯(lián)式作為相機鏡頭的支撐方案。

圖2 BIPOD結(jié)構(gòu)方案

1.3 BIPOD結(jié)構(gòu)設(shè)計

BIPOD由上安裝座、阻尼桿、鎖緊組件、下安裝座和銷軸組成，材料均為鈦合金；構(gòu)型如圖3所示。

阻尼桿是隔振結(jié)構(gòu)的核心，由外桿、限位板、內(nèi)桿、阻尼膠環(huán)等組成，內(nèi)桿與外桿共軸線，通過阻尼膠粘接在一起。隔振的原理為：傳遞振動的時候，內(nèi)桿與外桿相對滑動，阻尼膠將機械能轉(zhuǎn)換成熱能耗散掉，實現(xiàn)對振動的隔離。內(nèi)桿外表面與外桿內(nèi)表面間隙配合，配合面均涂抹真空潤滑酯，防止結(jié)構(gòu)冷焊，同時保證相對滑動的順利進(jìn)行。阻尼膠選擇空間隔振性能優(yōu)異的聚氨酯材料。限位板貫穿內(nèi)桿、外桿，用來限制二者相對運動的范圍，防止內(nèi)桿與外桿的相對滑移量超出聚氨酯膠環(huán)所能承受的最大變形量。每個BIPOD結(jié)構(gòu)包含兩套阻尼桿，阻尼桿結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖3 BIPOD結(jié)構(gòu)模型

圖4 阻尼桿結(jié)構(gòu)模型

鎖緊組件借鑒包帶式鎖緊裝置的原理[12]，由卡箍、火工切割器、彈簧、彈簧保護(hù)套及卡箍限位套組成。卡箍為兩瓣式構(gòu)型，卡箍內(nèi)壁是兩排V型槽，分別與內(nèi)桿、外桿的V型法蘭配合?？ü績啥送ㄟ^火工切割器壓緊后，內(nèi)、外桿法蘭嵌入V型槽，實現(xiàn)對內(nèi)、外桿的軸向限位，阻尼桿被鎖緊。火工切割器點火后，施加在卡箍兩側(cè)的壓緊力消失，卡箍外端的壓縮彈簧驅(qū)動卡箍與阻尼桿脫離接觸，阻尼桿解鎖?？ü肯尬惶子糜谑占{解鎖后的卡箍，防止卡箍彈出磕碰到星上其他設(shè)備。鎖緊機構(gòu)模型如圖5所示。

結(jié)構(gòu)相機是用來模擬相機力學(xué)特性的試驗件，模型見圖6。

圖5 鎖緊機構(gòu)模型

圖6 結(jié)構(gòu)相機模型

1.4 阻尼膠性能測試

被動隔振器的性能與阻尼膠密切相關(guān)。聚氨酯材料是航天器上常用的一種阻尼材料[13]，其伸長率可達(dá)400%～800%，減振效果好，承載范圍寬，具有較好的耐臭氧、耐輻照性能，在0～40℃范圍內(nèi)阻尼損耗因子不小于0.2，10℃時不小于0.7[14]。

圖7 聚氨酯試驗件剖面

圖8 聚氨酯試驗件拉力—變形曲線

為了獲得聚氨酯材料的力—變形曲線，設(shè)計了一套聚氨酯材料的性能測試件。試驗件剖面結(jié)構(gòu)見圖7。利用裝配工裝實現(xiàn)內(nèi)、外桿定位的聚氨酯膠通過注膠口注入外桿、內(nèi)桿的環(huán)形腔體內(nèi)，固化7d時間形成阻尼膠環(huán)。

試驗件膠環(huán)中徑為38mm，膠環(huán)寬7mm，拉力試驗中剪切面截面面積=835.24mm2。試驗件的拉伸試驗在1t拉力機上完成，三個測試件的拉力—變形曲線如圖8所示。

圖8中直線段部分為線性變形區(qū)域。根據(jù)試驗曲線，可以得到聚氨酯材料彈性模量的取值范圍。線性段的拉力差值設(shè)為Δ，為了計算方便，取Δ=1 200N，則最大應(yīng)力=Δ/=1.44MPa。

經(jīng)測量，聚氨酯膠變形量Δ=0.25mm，根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變公式=/Δ，計算可知=5.76GPa。

利用HYPERMESH軟件建立有限元模型（FEM），仿真得到套筒式阻尼桿向一階自由模態(tài)454.6Hz，向一階模態(tài)460.4Hz。向、向一階振形如圖9所示。

圖9 套筒式阻尼桿一階振型

1.5 相機模態(tài)分析

用仿真軟件HYPERMESH建立相機有限元模型（見圖10）。根據(jù)OPTISTRUCT解算器計算得到的相機鎖緊狀態(tài)、解鎖狀態(tài)頻率：鎖緊狀態(tài)向一階頻率26.76Hz，向一階頻率27.94Hz，向一階頻率超過70Hz；解鎖狀態(tài)向一階頻率6.80Hz，向一階頻率6.93Hz。

圖10 結(jié)構(gòu)相機有限元模型

1.6 BIPOD隔振特性分析

振動傳遞率以通過隔振元件傳遞的力與擾動力之間的比值，或傳遞加速度與擾動加速度之間的比值來表示[15-17]，即

是評價隔振效果常用的的物理量之一。<1，即表明阻尼隔振有效果，值越低，隔振效果越好。

對整機解鎖狀態(tài)的有限元模型進(jìn)行正弦振動分析，結(jié)構(gòu)阻尼因子取0.3。振動響應(yīng)曲線見圖11。由響應(yīng)曲線可以看出，在低頻段5.9Hz附近響應(yīng)最大，值為2；在6.8Hz附近，=1；在8.9Hz、10.5Hz附近，值最小并出現(xiàn)振動相位的改變。頻率高于35Hz，穩(wěn)定在0.02附近，說明阻尼桿對于制冷機壓縮機（40Hz及其倍頻）、動量輪的高頻振動傳遞具有良好的抑制效果。

圖11 隔振特性曲線

2 BIPOD支撐結(jié)構(gòu)性能驗證

2.1 阻尼桿注膠均勻性試驗

BIPOD支撐結(jié)構(gòu)的隔振頻率由阻尼膠注膠量決定。相機鏡頭支撐結(jié)構(gòu)為3個BIPOD組件，圓周式均布于鏡頭承力結(jié)構(gòu)背部邊緣。因為阻尼膠注膠狀態(tài)可能存在差異，若6個阻尼桿頻率差異太大，則會對BIPOD隔振性能帶來不利影響。阻尼試驗件研制完成后，利用力錘敲擊法完成了6個阻尼桿（編號1#～6#）的自由模態(tài)特性測試。測試前在阻尼桿上布設(shè)7個傳感器，力錘敲擊阻尼桿后，傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)由軟件分析處理，得到阻尼桿的頻率值。阻尼桿上傳感器（1～7）布設(shè)位置及力錘敲擊點位置見圖12，測試頻率數(shù)據(jù)見表1。

圖12 阻尼桿模態(tài)測試敲擊點及傳感器布設(shè)位置

表1 阻尼桿頻率

向敲擊模態(tài)最大值459.3Hz，最小值447.5Hz，平均值453.7Hz，方差值4.57Hz，偏離仿真值13.1Hz，偏離量1.53%；向敲擊模態(tài)最大值468.0Hz，最小值452.2Hz，平均值460.1Hz，方差值4.97Hz，偏離仿真值13.94Hz，偏離量1.76%。

考慮到阻尼桿內(nèi)外桿加工誤差、裝配同軸度誤差、注膠誤差，其模態(tài)偏離量不超過2%，因此可以認(rèn)為前文聚氨酯膠彈性模量測試值是合理的。

2.2 相機振動試驗

結(jié)構(gòu)相機由BIPOD結(jié)構(gòu)與鏡頭模擬件組成。在29t試驗臺上對相機進(jìn)行了正弦振動和隨機振動試驗。正弦振動最大量級3n，隨機振動功率譜密度為1W/Hz，振動時間2min。振動過程中，BPIOD處于鎖緊狀態(tài)。

表2 相機振動試驗實測數(shù)據(jù)

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，結(jié)構(gòu)相機向一階頻率25.99Hz，向一階頻率26.86Hz。仿真與實測數(shù)據(jù)見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)仿真值與實測值偏差低于4%，數(shù)據(jù)較一致。圖13分別是結(jié)構(gòu)相機向、向的大量級振動前后的掃頻曲線。由曲線可知，結(jié)構(gòu)相機在振動前后頻率未發(fā)生漂移，說明鎖緊結(jié)構(gòu)能承受相機振動的考核。

2.3 BIPOD解鎖模態(tài)測試及分析

阻尼膠不能單獨承載相機鏡頭的結(jié)構(gòu)重量，不能在承載情況下進(jìn)行振動試驗。因此，BIPOD解鎖狀態(tài)的頻率特性是通過力錘敲擊法獲得的[18]。相機試驗狀態(tài)如圖15所示，結(jié)構(gòu)相機固定安裝于地軌，相機鏡頭通過懸吊抵消重力作用。向、向一階頻率分別為7.03Hz、7.18Hz，測試與仿真數(shù)據(jù)的對比見表3。

圖15 相機解鎖狀態(tài)敲擊試驗

表3 敲擊模態(tài)數(shù)據(jù)

表3中的模態(tài)測試數(shù)據(jù)說明隔振結(jié)構(gòu)的低頻設(shè)計方案是合理的，能對7.03Hz以上的衛(wèi)星微振動進(jìn)行隔離。、向模態(tài)測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)偏差分別為3.4%、3.6%，主要是因為相機鏡頭重力卸載不徹底，不能完全模擬在軌零重力狀態(tài)，導(dǎo)致解鎖狀態(tài)的模態(tài)測試值存在偏差，因此后續(xù)產(chǎn)品的模態(tài)測試需投產(chǎn)專用零重力模擬設(shè)備。隔振結(jié)構(gòu)對星上制冷機、動量輪的隔振能力測試，將在衛(wèi)星上進(jìn)行驗證。

3 結(jié)束語

BIPOD結(jié)構(gòu)兼顧鎖緊與隔振功能，能滿足衛(wèi)星相機鎖緊、解鎖狀態(tài)下的力學(xué)性能需求。通過拉力試驗獲得聚氨酯材料彈性模量為5.76GPa。根據(jù)彈性模量測試數(shù)據(jù)，完成了阻尼桿設(shè)計、仿真及投產(chǎn)，通過敲擊試驗測試了阻尼桿剛度的偏離不超過2%。BIPOD與相機鏡頭裝配完畢后，完成了相機鎖緊狀態(tài)、解鎖狀態(tài)的模態(tài)測試，鎖緊狀態(tài)向、向一階頻率分別為25.99Hz、26.86Hz，解鎖狀態(tài)向、向一階頻率分別為7.03Hz、7.18Hz，滿足相機發(fā)射段、在軌成像段的剛度需求。

BIPOD結(jié)構(gòu)解鎖狀態(tài)的頻率偏高，后續(xù)將對阻尼桿的阻尼膠環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，增大阻尼隔振范圍，提高相機性能。

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Design and Verification of a BIPOD Structure with Locking & Vibration Isolation Function for Space Cameras

GONG Hui LIAN Minlong SHI Zhicheng JIA Tao TONG Weiming LIAN Huadong

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Space camera needs not only surviving the vibration of rockets during launch，but also isolating the micro-vibration of satellite during on-orbit operation. Based on the different requirements of the camera structure frequency, a BIPOD structure with locking & vibration isolation functions was designed. The BIPOD is locked during lunch, and unlocked during imaging stage on board to isolate the low-frequency vibration of satellite. The locking mechanism consists of clamps, sickles and springs. The damping adhesive of vibration isolation structure is made of polyurethane, and the vibration transmission rate can be lower than 0.2. The polyurethane’s elasticity modulus () was tested by the tensile machine. The BIPOD was designed and then manufactured. Sinusoidal and random vibration tests of the camera were carried out. The first-order modal frequency of the camera in locked status is 25.99Hz , better than the design requirement. The first unlocked frequency of the camera is 7.03Hz by the hammering method, showing that the low-frequency vibration over 10Hz can be suppressed.

lock; vibration isolation; support structure; space camera

V474.1+1

A

1009-8518(2021)06-0132-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.06.013

2021-08-22

宮輝, 練敏隆, 石志城, 等. 一種新型多功能BIPOD相機支撐技術(shù)設(shè)計與驗證[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(6): 132-140.

GONG Hui, LIAN Minlong, SHI Zhicheng, et al. Design and Verification of a BIPOD Structure with Locking & Vibration Isolation Function for Space Cameras[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(6): 132-140. (in Chinese)

宮輝，男，1982年生，2009年獲中國空間技術(shù)研究院光學(xué)工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師。研究方向為遙感器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。E-mail：gonghui2006@163.com。

（編輯：夏淑密）