CN108227339B - 一种空间相机焦面框 - Google Patents

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Abstract

一种空间相机焦面框，为长方形盒体结构，包括入光口面等；入光口面为长方形盒体的开口面；直射区面为长方形盒体开口面的对面，直射区面上开有若干用于探测器通光的通光口；反射区面为长方形盒体上与直射区面相邻的垂直面，反射区面上开有若干用于探测器通光的通光口；反射镜连接面位于盒体内，与反射区面平行；焦面框连接面为盒体两端的平行面，与入光口面、直射区面、反射区面、反射镜连接面均垂直。本发明解决了空间光学遥感器的焦面支撑结构重量与高稳定性这一对矛盾，开拓了C/SiC陶瓷基复合材料在航天遥感器大功率内热源、高精度高稳定性结构尺寸上的应用，改变了遥感器支撑结构传统的钛合金及殷钢的结构形式。

Description

一种空间相机焦面框
技术领域
本发明涉及一种空间相机焦面框，特别是一种可用于空间测绘高分辨率相机焦面框支撑结构。
背景技术
航天相机多采用焦面框作为焦面的支撑结构，温度引起的焦面探测器及光学零件之间的间隔变化将由焦面框的线膨胀系数决定，而探测器及光学件之间的相对变化会造成相机的几何精度的改变，因此必须严格控制焦面的热稳定性。所以对于焦面框的材料需要同时具有低密度、高刚度、高导热率及大比热容的要求。同时焦面框需要承载探测器、反射镜及探测器电路，焦面框接口复杂。
一般材料如铝合金或钛合金，由于材料自身线膨胀系数较大，不能满足高稳定性相机焦面的需求。低膨胀材料殷钢热变形小，但其密度较大，鉴于重量限制，也多作为短线阵的焦面框。虽然碳纤维增强树脂基复合材料具有较低的密度以及较高的比刚度，但是空间长时间使用要求对其树脂基体的稳定性是一种重大的挑战，同时其对水蒸气较敏感，吸湿所引起的体积膨胀将导致空间光学系统地面装配状态与空间在轨运行状态下尺寸发生较大的变化。
传统的焦面框的构型及材料不能兼顾结构稳定性、热稳定性及重量等方面的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间相机焦面框，解决了支撑结构重量轻与刚度稳定性高及高导热率大比热容的矛盾，具有轻质、高刚度、高稳定、高导热率、大比热容的优点。
本发明技术解决方案是：一种空间相机焦面框，为长方形盒体结构，包括入光口面、直射区面、反射区面、反射镜连接面、焦面框连接面；入光口面为长方形盒体的开口面；直射区面为长方形盒体开口面的对面，直射区面上开有若干用于探测器通光的通光口；反射区面为长方形盒体上与直射区面相邻的垂直面，反射区面上开有若干用于探测器通光的通光口；反射镜连接面位于盒体内，与反射区面平行，分布有反射镜连接孔；焦面框连接面为盒体两端的平行面，与入光口面、直射区面、反射区面、反射镜连接面均垂直，焦面框连接面上分布有用于与镜头连接的焦面框连接孔。
所述直射区面上的通光口周围分布有若干探测器连接接口、探测器电路接口。
所述反射区面上的通光口周围分布有若干探测器连接接口、探测器电路接口。
一种空间相机焦面框材料为C/SiC复合材料。
所述反射镜连接孔、探测器电路接口、探测器连接接口、焦面框连接孔为镶嵌的金属镶套，金属镶套材料为钛合金或者殷钢，金属镶套通过环氧胶与相应的长方形盒体面粘接。
所述金属镶套上加工螺纹孔或者通孔，用于与外部设备连接。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明与常用遥感器支撑金属结构材料相比，在相同构型下，重量更轻，最大减重达70％以上，刚度更高，表现在自由和约束状态下基频更高，热变形更小，表现在相机工作时，线阵方向长度变化小，说明焦面框能给焦面提供较高稳定性。
(2)本发明的直射区面、反射区面、反射镜连接面、焦面框连接面上的安装孔通过镶嵌金属镶套方式实现。金属镶套材料通常为钛合金或者殷钢。在金属镶套上加工螺纹可以方便焦面框与其它结构件的连接，金属镶套突出直射区面、反射区面、反射镜连接面、焦面框连接面，减少了反射镜、探测器及探测器电路与焦面框的连接接触面积，增加接触热阻，减少探测器及其外围电路向焦面框漏热，能够提高焦面框的热稳定性。
(3)本发明的焦面框设计为长方形盒体结构，便于焦面框的加工，同时焦面框内部增加加强筋，在加强筋上面设计安装反射镜的安装面，提高了反射镜的结构稳定性和热稳定性。与传统焦面框结构相机，反射镜的变形量降低90％，极大地降低了相机在轨运行时反射镜和探测器之间的相对变形。
(4)本发明的焦面框为长方形盒体结构，将探测器分成两部分，分别安装于相互垂直的直射区面和反射区面上。与将探测器全部安装于一个安装面上的结构形式相比，能够更加有利于探测器的散热，单个安装面的温度波动降低50％以上，使得结构的热稳定性提高一倍。同时结构抗变形的能力大大提升，焦面框的结构稳定性提升一倍以上。
(4)本发明金属镶套突出直射区面、反射区面、反射镜连接面、焦面框连接面，使得产品在最后精加工时加工量大大减少，极大地提高了加工效率，降低产品的加工成本。与传统焦面框相比，镶套的设计使得安装面的形位公差更加容易控制，以传统焦面框设计相比，形位公差加工难度降低70％。
(5)本发明焦面框的焦面框连接面位于焦面框的长边的两端，安装面之间的距离达到最大值，传统安装面位于入光口上。与传统设计相比，在焦面框与镜头连接时便于操作，更容易保证连接精度，与传统设计相比连接精度提高一倍，极大地降低了相机的装调难度；焦面框连接面位于两端，焦面框在经受恶劣的力学环境时，结构稳定性更好。
附图说明
图1为焦面框结构图；
图2为焦面框各安装面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1、图2所示，一种空间相机焦面框，为长方形盒体结构，包括入光口面5、直射区面6、反射区面7、反射镜连接面8、焦面框连接面9；入光口面5为长方形盒体的开口面；直射区面6为长方形盒体开口面的对面，直射区面6上开有若干用于探测器通光的通光口10，探测器连接接口3、探测器电路接口2分布在通光口10周围；反射区面7为长方形盒体上与直射区面6相邻的垂直面，反射区面7上开有若干用于探测器通光的通光口10，探测器连接接口3、探测器电路接口2分布在通光口周围；反射镜连接面8位于盒体内，与反射区面7平行，分布有反射镜连接孔1；焦面框连接面9为盒体两端的平行面，与入光口面5、直射区面6、反射区面7、反射镜连接面8均垂直，焦面框连接面9上分布有用于与镜头连接的焦面框连接孔4。
反射镜连接孔1、探测器电路接口2、探测器连接接口3、焦面框连接孔4为镶嵌的金属镶套，通过环氧胶与相应的长方形盒体面粘接。金属镶套的材料通常为钛合金或者殷钢。在金属镶套上加工螺纹或者通孔可以方便焦面框与其它结构件的连接；金属镶套突出直射区面6、反射区面7、反射镜连接面8、焦面框连接面9，可以减小焦面框与探测器、探测器电路及反射镜的连接面积，增加接触热阻，减少探测器及其外围电路向焦面框漏热，能够提高焦面框的热稳定性。金属镶套突出安装面，使得产品最终精加工时，只加工镶套的凸台面，极大地降低了加工量。
将探测器安装分成两部分，分别安装于相互垂直的直射区面6和反射区面7上。直射区面6与入光口5平行，光线可以直接到达探测器，通过探测器将光信号转变成电信号。反射区面7与入光口面5、直射区面6均垂直设计，光线通过入光口5之后，经过安装于反射镜连接面8上的45°反射镜进行反射到达反射区面7上的探测器。反射镜的反射面与直射区面6和反射区面7均成45°夹角。保证直射区面6和反射区面7等光程。
焦面框连接面9位于焦面框的长边的两端，通过位于焦面框连接面9上的焦面框连接孔4将焦面框与镜头进行连接。焦面框连接面9与直射区面6、反射区面7均垂直，保证了焦面框安装时调整精度更容易控制。焦面框连接面9的设计保证了安装面之间的距离达到最大值，焦面框连接面9的设计保证在焦面框与镜头连接时便于操作，更容易保证连接精度，与传统设计相比连接精度提高一倍，极大地降低了相机的装调难度；焦面框连接面9位于两端，焦面框在经受恶劣的力学环境时，结构稳定性更好。
所述的焦面框为碳纤维三维编织碳化硅增强成形，材料为C/SiC。整体碳纤维三维编织碳化硅增强成形保证了材料的连续性能，使得材料的强度刚度大大提高。同时C/SiC材料的低线膨胀系数、高比热容和高导热率保证了焦面框的热稳定性。
C/SiC材料保证焦面框的强度和刚度前提下，重量大大减轻。C/SiC材料的焦面框重量为钛合金焦面框的40％，为殷钢焦面框的23％。
C/SiC材料的低线膨胀系数和高的比热容和导热系数使得材料的热稳定性远远大于传统材料。膨胀系数约为钛合金的1/9，导热系数约为钛合金的4倍，比热容为钛合金的2倍。
将焦面框设计成长方体形式，将探测器和外围电路安装于相互垂直的直射区面6、反射区面7，能够提高结构在温度变化时的稳定性。
通过采用长方体的结构形式，采用C/SiC的材料以及采用金属镶套的连接方式，使得焦面框的重量为传统的殷钢焦面框重量的23％，热稳定性为钛合金焦面框的12倍以上。
所述的装配面为金属镶套形式，并加工螺纹孔。装配时对精度要求高的面通过对金属进行精加工方式以满足使用要求。
焦面框考虑其加工及成形方式，设计一系列振动消应力及稳定性试验，通过试验后，产品基频、平行度及距离变化趋于收敛，满足使用要求。
焦面框入光口5是一个开放的面，提供通光的路径，使得经过镜头后的成像光路可以经过入光口5后到达安装于反射镜连接面8的反射镜，经过反射镜镜分光之后，光线到达安装于直射区面6和反射区面7的探测器。反射镜连接面8提供用于安装反射镜的接口反射镜连接孔1，反射镜连接孔1的平面度需要保证反射镜镜的安装需求，通常平面度优于0.05mm/100mm。直射区面6、反射区面7上分布有若干探测器连接接口3、探测器电路接口2，探测器连接接口3和探测器电路接口2提供安装探测器及探测器电路的接口，安装接口的平面度通常优于0.03mm/100mm。直射区面6、反射区面7上需要加工用于探测器通光的通光口10，通光口10为方形的孔；光线通过入光口5之后，经过安装于反射镜连接面8的反射镜分光之后到达安装于直射区面6和反射区面7上的探测器，通光口10的大小需要根据光线的实际需求进行加工，通常略大于探测器的尺寸。焦面框连接面9上分布有焦面框连接孔4，焦面框连接孔4通常为螺纹孔。通过焦面框连接面9提供的将焦面框与镜头进行连接。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种空间相机焦面框，其特征在于，所述空间相机焦面框为长方形盒体结构，包括入光口面(5)、直射区面(6)、反射区面(7)、反射镜连接面(8)、焦面框连接面(9)；入光口面(5)为长方形盒体的开口面；直射区面(6)为长方形盒体开口面的对面，直射区面(6)上开有若干用于探测器通光的通光口(10)；反射区面(7)为长方形盒体上与直射区面(6)相邻的垂直面，反射区面(7)上开有若干用于探测器通光的通光口(10)；反射镜连接面(8)位于盒体内，与反射区面(7)平行，分布有反射镜连接孔(1)；焦面框连接面(9)为盒体两端的平行面，与入光口面(5)、直射区面(6)、反射区面(7)、反射镜连接面(8)均垂直，焦面框连接面(9)上分布有用于与镜头连接的焦面框连接孔(4)。
2.根据权利要求1所述的一种空间相机焦面框，其特征在于：所述直射区面(6)上的通光口(10)周围分布有若干探测器连接接口(3)、探测器电路接口(2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种空间相机焦面框，其特征在于：所述反射区面(7)上的通光口(10)周围分布有若干探测器连接接口(3)、探测器电路接口(2)。
4.根据权利要求3所述的一种空间相机焦面框，其特征在于：所述空间相机焦面框的材料为C/SiC复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种空间相机焦面框，其特征在于：所述反射镜连接孔(1)和焦面框连接孔(4)以及直射区面(6)和反射区面(7)上的探测器电路接口(2)、探测器连接接口(3)均为镶嵌的金属镶套，金属镶套材料为钛合金或者殷钢，金属镶套通过环氧胶与相应的长方形盒体面粘接。
6.根据权利要求5所述的一种空间相机焦面框，其特征在于：所述金属镶套上加工螺纹孔或者通孔，用于与外部设备连接。
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