CN108594396B - 一种准零膨胀空间光学遥感器支撑结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空间光学遥感技术领域，涉及一种准零膨胀空间光学遥感器支撑结构及方法。结合桁架的几何构型，基于支撑框的径向变形会导致主反射镜与次反射镜间距变化的特点，建立了顶部支撑框和支撑桁架杆两者线膨胀系数间的联系。当受到外界温度载荷时，两者在光轴方向(主反射镜与次反射镜连线方向)的变形可以相互补偿，最终实现整体桁架结构轴向准零膨胀的效果。同时，为缓解在顶部支撑框径向变形时，导致相邻支撑桁架杆在接头位置产生弯矩，顶部接头局部采用细颈结构，有效释放热应力及其他装配应力。解决了因目前光学遥感器单一通过降低各传递路径上材料线胀或采取精密温控提高在轨稳定性，造成的成本高及实施难度大的问题。
Description
技术领域
本发明属于空间光学遥感技术领域，涉及一种准零膨胀空间光学遥感器支撑结构及方法。
背景技术
随着空间遥感器逐渐向大口径、长焦距方向发展，对光学系统公差提出了更为苛刻的要求，主反射镜与次反射镜之间的位置公差要求也越来越高，甚至达到了微米级，这给支撑装置的结构刚度、在轨稳定性等带来了极大挑战。尤其对于数米量级的支撑装置来说，传统整体框架式结构已很难满足上述需求。
桁架结构因其高比刚度、组装灵活等优良的空间性能被广泛采用。为了提高空间桁架的稳定性，通常选用低膨胀碳纤维复合材料作为支撑桁架杆，采用殷钢、钛合金等连接件来保证高的结构刚度。在此基础上，对整个桁架结构采取精密热控手段将主次镜间的相对位置变化尽可能减小。上述结构及方法存在以下缺点：1、该实施方式对碳纤维桁架杆的线膨胀系数要求极高，势必会增加复合材料的加工难度和制造成本；2、由于碳纤维导热系数低，实施精密热控时需要在桁架杆表面粘贴大量加热器及温度传感器，从而带来机械扰动，影响其线胀性能；3、对于3-8m量级的大型桁架系统，全桁架实施精密热控(±1℃)措施的难度成倍增长，同时也会大幅增加系统功耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，解决因目前光学遥感器单一通过降低各传递路径上材料线胀或采取精密温控提高在轨稳定性，造成的成本高及实施难度大的问题。
本发明的技术解决方案是提供一种准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，包括底部支撑框与顶部支撑框；
其特殊之处在于：
还包括底部接头、顶部接头及位于底部接头与顶部接头之间的n层支撑桁架杆单元；其中n大于等于1；当n大于1时，还包括设置在相邻两层支撑桁架杆单元之间的n-1个环状横梁；
上述顶部接头包括顶部接头安装座与固定在顶部接头安装座上的两个细颈连接件；上述顶部接头安装座固定在顶部支撑框和/或环状横梁上；上述细颈连接件包括大端部及小端部，小端部与顶部接头安装座固连；
上述底部接头包括接头端与底部接头安装面，两个接头端固定在一个底部接头安装面上，底部接头安装面固定在底部支撑框上；
顶部接头与底部接头在水平投影面上呈交错布置，周向相位角均匀分布，径向位置一致；
每层支撑桁架杆单元包括m个支撑桁架杆，其中m为大于等于6的偶数；
当n等于1时，一个支撑桁架杆的两端通过细颈连接件的大端部、底部接头分别与顶部支撑框及底部支撑框连接；当n大于1时，第一层支撑桁架杆单元中的支撑桁架杆的两端通过细颈连接件的大端部、底部接头的接头端分别与环状横梁及底部支撑框连接；第二层支撑桁架杆单元至第n层支撑桁架杆单元中的支撑桁架杆的两端均通过细颈连接件的大端部固定在相邻两个环状横梁之间或顶部支撑框与环状横梁之间；
各层支撑桁架杆单元中相邻支撑桁架杆与底部支撑框、顶部支撑框或环状横梁形成三角构型；
上述底部支撑框、底部接头、和顶部接头安装座均采用碳纤维增强SiC陶瓷复合材料，上述顶部支撑框、环状横梁和支撑桁架杆均采用碳纤维/环氧树脂复合材料，上述细颈连接件采用低膨胀铁镍合金；
顶部支撑框或环状横梁与支撑桁架杆的线膨胀系数满足以下关系：
其中，为顶部支撑框或环状横梁的线膨胀系数设计值，R为顶部支撑框或环状横梁的半径，θ为相邻两个顶部接头与顶部支撑框或环状横梁的中心连线的夹角，ΔT1为顶部支撑框或环状横梁的温度变化范围；l为顶部接头安装座与底部接头安装面沿支撑桁架杆方向的总长度；lc为支撑桁架杆的长度，/>为支撑桁架杆的线胀系数设计值；lj为顶部接头安装座沿支撑桁架杆方向的长度与底部接头沿支撑桁架杆方向的长度之和；/>碳纤维增强SiC陶瓷复合材料的线胀系数；li细颈连接件的长度，/>为铁镍合金的线胀系数；ΔT2为支撑桁架杆、底部接头、顶部接头的温度变化范围。
进一步地，细颈连接件还包括与细颈连接件大端部一体设置的圆柱状连接件；
细颈连接件的大端部为圆锥体形状，小端部为圆柱形状，小端部的直径与大端部锥部的直径相等，且小端部与大端部的锥部一体设置；
上述圆柱状连接件设置在大端部端面。
进一步地，上述支撑桁架杆为空心杆，其两端分别与圆柱状连接件的圆周面和/或底部接头的接头端胶接。
进一步地，上述顶部接头安装座包括座体及对称设置在座体上的两个过渡件，过渡件的上表面与支撑桁架杆轴线垂直设置，细颈连接件的小端部通过法兰固定在过渡件的上表面。
进一步地，顶部支撑框的径向截面为L型构型，并沿顶部支撑框的周向设有多个三角形加强筋。
进一步地，顶部支撑框上设置金属预埋件，预埋件上预留与顶部接头安装座连接的螺钉孔。
进一步地，上述底部支撑框的上表面沿周向均布与底部接头安装面连接的接口。
本发明还提供一种利用上述的准零膨胀空间光学遥感器支撑结构实现准零膨胀支撑的方法，包括以下步骤：
步骤一：通过调节顶部支撑框或环状横梁与支撑桁架杆中碳纤维/环氧树脂复合材料的铺层，调节与/>使得：
其中，为顶部支撑框或环状横梁的线膨胀系数设计值，R为顶部支撑框或环状横梁的半径，θ为相邻两顶部接头与顶部支撑框或环状横梁中心连线的夹角，ΔT1为顶部支撑框或环状横梁的温度变化范围；l为顶部接头安装座与底部接头安装面沿支撑桁架杆方向的总长度；lc为支撑桁架杆的长度，/>为支撑桁架杆的线胀系数设计值；lj为顶部接头安装座沿支撑桁架杆方向的长度与底部接头沿支撑桁架杆方向的长度之和；/>碳纤维增强SiC陶瓷复合材料的线胀系数；li细颈连接件的长度，/>为铁镍合金的线胀系数；ΔT2为支撑桁架杆、底部接头、顶部接头的温度变化范围。
步骤二：将主次镜分别通过其支撑结构固定在底部支撑框及顶部支撑框相应的安装面上；
步骤三：采用精密热控措施控制底部支撑框温度。
本发明的有益效果是：
1、本发明充分考虑支撑框架、支撑桁架杆及几何构型对桁架在轨稳定性的影响，建立支撑框和支撑桁架杆两者线胀系数之间的联系，利用碳纤维复合材料线胀系数可设计的优势，实现桁架支撑结构的准零膨胀设计，结构简单，成本低。
2、本发明广泛采用碳纤维增强SiC陶瓷复合材料、碳纤维/环氧树脂复合材料等作为桁架支撑的主体材料，保证了整个支撑结构高的比刚度与比强度。
3、本发明顶部接头采用柔性设计，当顶部支撑框受到较大外部温度扰动产生径向变形时，该柔性结构可有效释放热应力；进一步的实现桁架支撑结构的准零膨胀设计。
4、支撑框架与支撑桁架杆形成三角结构，将支撑结构所受弯曲载荷转化为沿支撑杆件轴线上的拉压载荷，进一步提高了整个支撑组件的结构刚度。
附图说明
图1为本发明实施例一中准零膨胀空间光学遥感器支撑结构三维轴侧示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的俯视图；
图4为准零膨胀空间光学遥感器支撑结构顶部接头结构示意图；
图5为顶部接头安装座结构示意图；
图6为细颈连接件结构示意图；
图7为本发明实施例二中准零膨胀空间光学遥感器支撑结构示意图；
图中附图标记为：1-底部支撑框，2-顶部支撑框，3-支撑桁架杆，4-主镜组件安装面，5-次镜及其支撑结构安装基准面，6-卫星平台安装接口，7-桁架基准面，8-底部接头，81-接头端，82-底部接头安装面，9-顶部接头，10-金属预埋件，11-座体，12-过渡件，13-细颈连接件，131-大端部，132-小端部，133-大端部端面，134-法兰，14-圆柱状连接件，15-顶部接头安装座，16-环状横梁，17-第一层支撑桁架杆单元，18-第二层支撑桁架杆单元，19-第n层支撑桁架杆单元。
具体实施方式
本发明的发明思想：
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种准零膨胀空间光学遥感器支撑结构及方法，结合桁架的几何构型，基于支撑框的径向变形会导致主反射镜与次反射镜间距(即沿光轴方向的距离)变化的特点，建立了顶部支撑框或环状横梁与支撑桁架杆两者线膨胀系数间的联系。当受到外界温度载荷时，两者在光轴方向(主反射镜与次反射镜连线方向)的变形可以相互补偿，最终实现整体桁架结构轴向准零膨胀的效果。同时，为缓解在顶部支撑框或环状横梁径向变形时，导致相邻支撑桁架杆在接头位置产生弯矩，顶部接头局部采用细颈结构，有效释放热应力及其他装配应力。本发明广泛采用了碳纤维增强SiC陶瓷复合材料、碳纤维/环氧树脂复合材料，这些复合材料具有高比刚度、高比强度、热畸变小、线胀系数小且可设计的优势。
以下结合附图和具体实施方式进行进一步的详细说明：
实施例一
从图1、图2及图3可以看出，本实施例中准零膨胀空间光学遥感器支撑结构主要包括底部支撑框1、顶部支撑框2、位于底部支撑框1与顶部支撑框2之间的八根支撑桁架杆3、四组底部接头8与四组顶部接头9；
底部接头8包括接头端81及底部接头安装面82，一个底部接头安装面82设有两个接头端81；从图4可以看出，顶部接头9具体包括顶部接头安装座15及设置在顶部接头安装座15上的两个细颈连接件13，从图6可以看出，细颈连接件13包括大端部131与小端部132，细颈连接件13的大端部131为圆锥体形状，小端部132为圆柱形状，小端部132的直径与大端部131锥部的直径相等；大端部端面133还设有与大端部一体的圆柱状连接件14。从图5可以看出，顶部接头安装座15包括座体11及位于座体11上的过渡件12，两个过渡件12沿座体11的中线对称设置，其上表面与支撑桁架杆轴线垂直设置，细颈连接件13的小端部132通过法兰134固定在过渡件的上表面。
底部支撑框1具体为薄壁与加强筋组合的轻量化结构，底部支撑框1上表面沿环向均布四组与底部接头安装面82连接的接口；除此之外，底部支撑框1预留了主镜组件安装面4和卫星平台安装接口6。
顶部支撑框2沿径向的截面为L型，并沿顶部支撑框的外周向辅之以三角形加强筋，在与顶部接头安装座连接位置均匀设置四组金属预埋件10，预埋件上预留与顶部接头安装座15连接的螺钉孔。
四个底部接头安装面8与四个顶部接头安装座15分别通过螺钉固定在底部支撑框与顶部支撑框上，各组底部接头与顶部接头在水平投影面上呈交错布置，周向相位角均匀分布，径向位置一致。
支撑桁架杆3为空心杆，其两端分别与底部接头8中的接头端81和顶部接头9中的圆柱连接件14的外圆周面胶接，相邻支撑桁架杆与底部支撑框1或顶部支撑框2形成三角构型，八根支撑桁架杆3通过底部接头8和顶部接头9依次首尾相连，最终形成封闭的环。
底部支撑框1、底部接头8、顶部接头安装座15采用碳纤维增强SiC陶瓷复合材料，顶部支撑框2和支撑桁架杆3采用碳纤维/环氧树脂复合材料，细颈连接件13采用低膨胀铁镍合金。
底部支撑框1安装主反射镜组件，为保证主镜良好的面型精度，需采用精密热控措施，因此底部支撑框1变形量很小；
顶部支撑框2不采取精密热控，温度变化范围较大，当顶部支撑框2径向膨胀时，该膨胀引起的次镜组件及其支撑结构安装基准面5相对桁架基准面7的轴向变化量为：
式中：R为顶部支撑框2的半径，θ为两相邻顶部接头9与顶部支撑框2中心连线的夹角，H为底部支撑框1与顶部支撑框2的轴向距离；为顶部支撑框2的线膨胀系数设计值，ΔT1为顶部支撑框2的温度变化范围；
所述支撑桁架杆3、底部接头8、顶部接头9受温度载荷引起的主次镜轴向变化量为：
式中：l为顶部接头安装座15与底部接头安装面82沿支撑桁架杆3方向的总长度；lc为支撑桁架杆3的长度，为支撑桁架杆3的线胀系数设计值；lj为顶部接头安装座15和底部接头8沿支撑桁架杆3方向长度，/>为碳纤维增强SiC陶瓷复合材料的线胀系数；li为细颈连接件13的长度，/>为铁镍合金的线胀系数；ΔT2为支撑桁架杆3、底部接头8、顶部接头9的温度变化范围；
当顶部支撑框变形引起的主次镜轴向变化量ΔH1(负值)与支撑桁架杆3、底部接头8及顶部接头9引起的主次镜轴向变化量ΔH2(正值)和为零时，即可实现整个桁架支撑结构的准零膨胀设计。
顶部支撑框2与支撑桁架杆3的线膨胀系数设计值满足以下关系时，次镜组件及其支撑结构安装基准面5相对桁架基准平面7的轴向位移为零，从而实现整个桁架轴向的准零膨胀设计；
顶部支撑框2和支撑桁架杆3的线膨胀系数易通过设计碳纤维的铺层参数实现；顶部接头9采用柔性设计，当顶部支撑框2受到较大外部温度扰动产生径向变形时，该柔性结构可有效释放热应力；底部支撑框1、顶部支撑框2、支撑桁架杆3形成三角桁架结构，将支撑结构所受弯曲载荷转化为沿支撑杆件轴线方向的拉压载荷，提高了整个支撑组件的结构刚度。
利用上述结构实现零膨胀的过程具体为：
首先通过调节顶部支撑框和支撑桁架杆中碳纤维/环氧树脂复合材料的铺层，调节与/>使得公式(3)成立，其次将主次镜组件分别通过其支撑结构固定在底部支撑框及顶部支撑框上；最后采用精密热控措施控制底部支撑框温度。
实施例二
与实施例一不同的是，该实施例中包括n层支撑桁架杆单元，还包括设置在相邻两层支撑桁架杆单元之间的环状横梁16，环状横梁的两个端面均设有顶部接头，第一层支撑桁架杆单元17中的支撑桁架杆3的两端通过细颈连接件13的大端部131、底部接头8的接头端81分别与环状横梁16及底部支撑框1连接；第二层支撑桁架杆单元18至第n层支撑桁架杆单元19中的支撑桁架杆3的两端均通过细颈连接件13的大端部131固定在相邻两个环状横梁16之间或顶部支撑框2与环状横梁16之间；相邻支撑桁架杆与底部支撑框、顶部支撑框或环状横梁形成三角构型。环状横梁16也采用碳纤维/环氧树脂复合材料，在计算过程中可以将环状横梁等效为顶部支撑框，即顶部支撑框2、环状横梁16与支撑桁架杆3的线膨胀系数设计值满足以下关系时，次镜组件及其支撑结构安装基准面5相对桁架基准平面7的轴向位移为零，从而实现整个桁架轴向的准零膨胀设计；
其中，为顶部支撑框与环状横梁的线膨胀系数设计值，R为顶部支撑框或环状横梁的半径，θ为相邻两顶部接头与顶部支撑框或环状横梁中心连线的夹角，ΔT1为顶部支撑框或环状横梁的温度变化范围；l为顶部接头安装座与底部接头安装面沿支撑桁架杆方向的总长度；lc为支撑桁架杆的长度，/>为支撑桁架杆的线胀系数设计值；lj为顶部接头安装座沿支撑桁架杆方向的长度与底部接头沿支撑桁架杆方向的长度之和；/>碳纤维增强SiC陶瓷复合材料的线胀系数；li细颈连接件的长度，/>为铁镍合金的线胀系数；ΔT2为支撑桁架杆、底部接头、顶部接头的温度变化范围。
以上对本发明提供的一种准零膨胀空间光学遥感器支撑设计方法及一个具体实施例进行了阐述，仅用于帮助理解本发明的核心思想，因此，对本发明进行若干修饰和改进也属于本发明创造的保护范围。
Claims (8)
1.一种准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，包括底部支撑框与顶部支撑框；
其特征在于：
还包括底部接头(8)、顶部接头(9)及位于底部接头(8)与顶部接头(9)之间的n层支撑桁架杆单元；其中n大于等于1；当n大于1时，还包括设置在相邻两层支撑桁架杆单元之间的n-1个环状横梁(16)；
所述顶部接头(9)包括顶部接头安装座(15)与固定在顶部接头安装座(15)上的两个细颈连接件(13)；所述顶部接头安装座(15)固定在顶部支撑框(2)和/或环状横梁(16)上；所述细颈连接件(13)包括大端部(131)及小端部(132)，小端部(132)与顶部接头安装座(15)固连；
所述底部接头(8)包括接头端(81)与底部接头安装面(82)，两个接头端(81)固定在一个底部接头安装面(82)上，底部接头安装面(82)固定在底部支撑框(1)上；
顶部接头(9)与底部接头(8)在水平投影面上呈交错布置，周向相位角均匀分布，径向位置一致；
每层支撑桁架杆单元包括m个支撑桁架杆(3)，其中m为大于等于6的偶数；
当n等于1时，一个支撑桁架杆的两端通过细颈连接件(13)的大端部(131)、底部接头(8)的接头端(81)分别与顶部支撑框(2)及底部支撑框(1)连接；当n大于1时，第一层支撑桁架杆单元(17)中的支撑桁架杆(3)的两端通过细颈连接件(13)的大端部(131)、底部接头(8)的接头端(81)分别与环状横梁(16)及底部支撑框(1)连接；第二层支撑桁架杆单元(18)至第n层支撑桁架杆单元(19)中的支撑桁架杆(3)的两端均通过细颈连接件(13)的大端部(131)固定在相邻两个环状横梁(16)之间或顶部支撑框(2)与环状横梁(16)之间；
各层支撑桁架杆单元中相邻支撑桁架杆(3)与底部支撑框(1)、顶部支撑框(2)或环状横梁(16)形成三角构型；
所述底部支撑框(1)、底部接头(8)和顶部接头安装座(15)均采用碳纤维增强SiC陶瓷复合材料，所述顶部支撑框(2)、环状横梁(16)和支撑桁架杆(3)均采用碳纤维/环氧树脂复合材料，所述细颈连接件(13)采用低膨胀铁镍合金；
顶部支撑框(2)或环状横梁(16)与支撑桁架杆(3)的线膨胀系数满足以下关系：
其中，为顶部支撑框(2)或环状横梁(16)的线膨胀系数设计值，R为顶部支撑框(2)或环状横梁的半径，θ为相邻两个顶部接头(9)与顶部支撑框或环状横梁的中心连线的夹角，ΔT1为顶部支撑框或环状横梁(16)的温度变化范围；l为顶部接头安装座(15)与底部接头安装面(82)沿支撑桁架杆(3)方向的总长度；lc为支撑桁架杆(3)的长度，/>为支撑桁架杆(3)的线胀系数设计值；lj为顶部接头安装座(15)沿支撑桁架杆方向的长度与底部接头(8)沿支撑桁架杆方向的长度之和；/>碳纤维增强SiC陶瓷复合材料的线胀系数；li细颈连接件的长度，/>为铁镍合金的线胀系数；ΔT2为支撑桁架杆、底部接头、顶部接头的温度变化范围。
2.根据权利要求1所述的准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，其特征在于：细颈连接件(13)还包括与细颈连接件(13)大端部一体设置的圆柱状连接件(14)；
细颈连接件(13)的大端部(131)为圆锥体形状，小端部(132)为圆柱形状，小端部(132)的直径与大端部(131)锥部的直径相等，且小端部(132)与大端部(131)的锥部一体设置；
所述圆柱状连接件(14)设置在大端部端面(133)。
3.根据权利要求2所述的准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，其特征在于：所述支撑桁架杆(3)为空心杆，其两端分别与圆柱状连接件(14)的圆周面和/或底部接头(8)的接头端(81)胶接。
4.根据权利要求3所述的准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，其特征在于：所述顶部接头安装座(15)包括座体(11)及对称设置在座体上的两个过渡件(12)，过渡件(12)的上表面与支撑桁架杆(3)轴线垂直设置，细颈连接件(13)的小端部(132)通过法兰(134)固定在过渡件(12)的上表面。
5.根据权利要求4所述的准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，其特征在于：顶部支撑框(2)的径向截面为L型构型，并沿顶部支撑框(2)的周向设有多个三角形加强筋。
6.根据权利要求5所述的准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，其特征在于：顶部支撑框(2)上设置金属预埋件，预埋件上预留与顶部接头安装座(15)连接的螺钉孔。
7.根据权利要求6所述的准零膨胀空间光学遥感器支撑结构，其特征在于：所述底部支撑框(1)的上表面沿周向均布与底部接头安装面(82)连接的接口。
8.一种利用权利要求1-7任一所述的准零膨胀空间光学遥感器支撑结构实现准零膨胀支撑的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过调节顶部支撑框或环状横梁与支撑桁架杆中碳纤维/环氧树脂复合材料的铺层，调节与/>使得：
其中，为顶部支撑框或环状横梁的线膨胀系数设计值，R为顶部支撑框或环状横梁的半径，θ为相邻两顶部接头与顶部支撑框或环状横梁中心连线的夹角，ΔT1为顶部支撑框或环状横梁的温度变化范围；l为顶部接头安装座与底部接头安装面沿支撑桁架杆方向的总长度；lc为支撑桁架杆的长度，/>为支撑桁架杆的线胀系数设计值；lj为顶部接头安装座沿支撑桁架杆方向的长度与底部接头沿支撑桁架杆方向的长度之和；/>碳纤维增强SiC陶瓷复合材料的线胀系数；li细颈连接件的长度，/>为铁镍合金的线胀系数；ΔT2为支撑桁架杆、底部接头、顶部接头的温度变化范围；
步骤二：将主次镜分别通过其支撑结构固定在底部支撑框及顶部支撑框相应的安装面上；
步骤三：采用精密热控措施控制底部支撑框温度。
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