CN109739065A - 适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构 - Google Patents

Abstract

适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构，涉及空间光学遥感技术领域，解决现有同轴式空间相机主支撑结构存在重量大、遮光比大、工艺难度以及一体化成形结构的生产成本过高，加工周期长等问题，本发明的单杆式主承力的次镜支架与支撑杆、支撑杆与主背板之间均采用法兰连接形式，采用分体式而非一体式的结构可以大大降低碳化硅的加工工艺难度，大幅度减少了生产周期及制造成本，满足微纳载荷的低成本、短周期的要求。通过使用碳化硅材料预打沉头底孔与埋件采用环氧树脂胶粘接配合的方式，避免了直接在碳化硅材料上加工螺纹孔工艺的难度大且容易损坏的问题。本发明提高了结构精度和稳定度，精简结构件个数和制造工序，缩短了加工周期与加工成本。

Description

适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构

技术领域

本发明涉及空间光学遥感技术领域，具体涉及一种适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构。

背景技术

新时期遥感应用对图像数据提出了更苛刻的要求：高空间/时间分辨率、高精度图像定位等。传统单一卫星无法完成上述任务，微纳卫星具有轻质小巧、研制成本低、生产周期短、发射形式多样化等特点，是解决上述需求的重要途径，成为航天领域当今最活跃的研究方向。

微纳卫星相机的超轻特性要求其主支撑结构轻质量、刚度高，稳定性好。传统同轴式空间相机多采用承力筒式或多杆桁架式主支撑结构，其很难满足微纳相机的质量要求，因而寻求新型的主支撑结构是微纳相机研究的重点和难点。单杆支撑形式具有超轻质的特点，但是其刚度及稳定性较差，同时设计过程困难复杂，目前尚未应用在微纳相机上。但在可预见的将来，随着微纳相机在各领域的日益活跃与需求增长，单杆式支撑结构由于其超轻质的特性将成为微纳遥感相机主承力结构的重要发展方面。

国内对于同轴式空间相机主支撑结构的研制多采用桁架式支撑结构，包括三杆式、四杆式及多杆式，但是存在着以下问题：(1)重量大。随着杆数的增多，虽然整体刚度变好，但是质量也相应的增加，对于微纳相机的超轻质要求是难以接受的。(2)遮拦比大。采用桁架式支撑结构不可避免的存在遮拦比现象，随着杆数的增加，遮拦比也会相应的增大，这会导致相机的光学传递函数下降，影响成像质量。由于微纳相机相比传统大型相机其敏感性较高，因而传函的下降可能会对相机的整体性能指标有很大影响。(3)工艺难度大、成本高。国际上虽然未将单杆式支撑结构应用于微纳相机上，但是已经将其应用在传统大型空间相机上，具有代表性的是美国研制的GIFTS望远镜，主镜通光口径240mm，主支撑结构采用的是全SiC制一体化圆锥式单杆支撑形式，其整机质量仅为5.2kg(不含热控)。日本/欧盟联合开发的地球云和气溶胶辐射探测卫星(EarthCARE)中的大气激光雷达(ATLID)载荷，其主承力结构采用的是单倾斜悬臂式支撑形式。上述结构均采用碳化硅一体化整体式铸造加工而成，对工艺水平要求较高，目前国内现有的碳化硅加工工艺很难以实现；其次一体化整体式成形结构的生产成本过高、加工周期过长，对于强调低成本、短周期的微纳载荷的来说难以接受。

因此，设计出满足性能要求且便于加工制造的微纳相机单杆支撑结构，不仅能进一步减轻相机的质量、降低生产成本、缩短研制周期，同时能够弥补国内存在的技术空白，对微纳卫星实现产业化和规模化具有重大推动作用，有利于国内产业转型升级，成为国内外商业卫星市场新的增长点。

发明内容

本发明为解决现有同轴式空间相机主支撑结构存在重量大、遮光比大、工艺难度以及一体化成形结构的生产成本过高，加工周期长等问题，提供一种超轻质微纳遥感相机单杆式主承力结构。

适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构，包括次镜支架、支撑杆和主背板，所述次镜支架与支撑杆之间、支撑杆与主背板之间均采用法兰连接；其特征是：单杆式主承力结构采用分体式单悬臂形式，所述次镜支架包括内环、斜立筋、前面板、外框和次镜支架下面板；所述外框的前端连接内环，后端连接次镜支架下面板，外框的侧壁上设置空腔；所述内环上均匀设置三个次镜遮光罩机械接口，内环通过斜立筋与次镜组件安装面的前面板连接，每个前面板上均匀设置三组次镜组件机械接口，所述次镜支架下面板上均布设置三个与支撑杆连接的支撑杆机械接口；

所述支撑杆包括支撑杆上面板、支撑杆下面板、锥型外框及横立筋和之字型斜立筋；

锥型外框的周向一面开口三面封闭，其内部设置横立筋及之字型斜立筋，锥型外框的顶部和底部分别设置为支撑杆上面板和支撑杆下面板，支撑杆上面板通过横立筋、之字型斜斜立筋与支撑杆下面板连接，并形成了三角形空腔；支撑杆上面板上均匀设置三个次镜支架机械接口，支撑杆下面板上设置主背板机械接口和主遮光罩机械接口；

所述主背板包括主背板上面板、中面板、主背板下面板、主背板外框、内框和放射型立筋；所述主背板上面板、中面板及主背板下面板通过放射型立筋、主背板外框及内框连接，并形成三组均布分布的上侧扇形空腔和三组均布分布的下侧扇形空腔；所述主背板上面板上均匀设置三组主镜组件机械接口和三组主遮光罩机械接口；中面板上均匀设置三组矫正镜组件机械接口；主背板下面板上均匀设置三组调焦机构机械接口和三组相机支腿机械接口。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的单杆式主承力结构，采用单悬臂支撑形式，对于同轴式空间相机，极大地降低了主承力组件质量，从而满足微纳相机超轻质的要求。同时其所有部件，包括次镜支架、支撑杆及主背板使用材料为碳化硅，相对于传统的高体分铝基碳化硅/高分体、钛合金等材料，具有比刚度大、力热稳定性好的优点。

二、本发明所述的单杆式主承力的次镜支架与支撑杆、支撑杆与主背板之间均采用法兰连接形式，采用分体式而非一体式的结构可以大大降低碳化硅的加工工艺难度，同时大幅度减少了生产周期及制造成本，满足了微纳载荷的低成本、短周期的要求。通过使用碳化硅材料预打沉头底孔与埋件采用环氧树脂胶粘接配合的方式，避免了直接在碳化硅材料上加工螺纹孔工艺的难度大且容易损坏的问题。此外，在次镜之间和支撑杆、支撑杆和主背板的连接周围间隙涂抹环氧树脂胶粘接，在保证连接强度的同时避免了传统定位销插入碳化硅材料引起的结构破坏问题。

三、本发明所述的单杆式主承力结构的所有结构，包括次镜支架、支撑杆及主背板，除安装面处所有的筋板厚度仅为2mm，结合碳化硅材料的特性，保证了主承力结构在具有高刚度、良好的热稳定性的同时具有超轻质的特性，满足了微纳相机的轻量化要求。

四、本发明所述的单杆式主承力结构的支撑杆采用单向拔模的结构、主背板采用双向拔模的结构，能够采用正、反两个加工的方式一体化成型，提高了结构精度和稳定度，同时精简了结构件个数和制造工序，缩短了加工周期与加工成本。

五、本发明所述的单杆式主承力结构的次镜支架采用双翅支撑形式，由内环向外侧呈扩散状，使得次镜处的重量尽可能小，从而保证主、次镜组件的偏心及倾角满足光学系统公差分配；次镜支撑架采用双翅形结构，使得热控实施式后相机具有较小的遮拦比，保证了系统光学传递函数和相机成像质量。

六、本发明所述的单杆式主承力结构的主背板呈三角形，采用双面空腔和加强筋设计，在保证结构刚度的前提下，降低了整体质量和外包络尺寸，实现了轻质小巧的特性；同时高度集成了主镜组件、矫正镜组件、支撑杆、调焦机构、主遮光罩及相机支腿等机械接口，提高了结构利用率。

附图说明

图1为本发明所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构装配体的轴侧图；

图2为本发明所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构中次镜支架上侧示意图；

图3为本发明所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构中次镜支架下侧示意图；

图4为本发明所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构中支撑杆的正面示意图；

图5为本发明所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构中支撑杆的仰视图；

图6为本发明所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构中主背板的上侧示意图；

图7为本发明所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构中主背板的下侧示意图；

图8为本发明所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构中主背板的剖视图。

图中：1、次镜支架，2、支撑杆，3、主背板，101、次镜遮光罩机械接口，102、外框，103、斜立筋，104、前面板，105、内环，106、次镜支架下面板，107、支撑杆机械接口，108、空腔，109、次镜组件机械接口，201、次镜架机械接口，202、支撑杆上面板，203、锥型外框，204、之字型立筋，205、支撑杆下面板，206、横立筋，207、三角形空腔，208、主背板机械接口，209、主遮光罩机械接口，301、主镜组件机械接口，302、主遮光罩机械接口，303、支撑杆机械接口，304、主背板上面板，305、上侧扇形空腔；306、中面板，307、主背板下面板，308、调焦机构机械结构，309、相机支腿机械接口，310、下侧扇形空腔，311、矫正镜组件机械接口，312、主背板外框，313、内框，314、放射型立筋。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图8说明本实施方式，适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构，采用分体式单悬臂构型，包括次镜支架1、支撑杆2和主背板3三部分组成；按照图1所示装配实施。其中次镜支架1与支撑杆2、支撑杆2与主背板3之间均采用法兰连接形式，并在各部件连接间隙涂抹环氧树脂胶固化连接。

次镜支架包括外框102、斜立筋103、前面板104、内环105、次镜支架下面板106和空腔108。上述外框102的前端连接内环105，后端连接次镜支架下面板106，外框102的侧壁上设置空腔108，内环105通过斜立筋103与次镜组件连接前面板104，同时通过放射状的外框102及与支撑架连接次镜支架下面板106，形成了空腔108。内环105上设有三个均布分布次镜遮光罩机械接口101，通过用环氧树脂粘接殷钢埋件的形式提供螺纹孔。同时三个均布分布的前面板104提供了三组次镜组件机械接口109。次镜支架下面板106上设有三个均布分布的支撑杆机械接口107。整个次镜支架采用碳化硅一体化铸造成形，并通过机加加工埋件孔及安装端面。

所述支撑杆2包括支撑杆上面板202、支撑杆下面板205、锥型外框203及横立筋206和之字型斜立筋204；锥型外框203由下到上截面逐渐变小，其周向一面开口三面封闭，内部设有横立筋206及之字型斜立筋204。支撑杆上面板202通过横立筋206、之字型斜斜立筋204与支撑杆下面板205连接，并形成了三角形空腔207；支撑杆上面板202位于外框的顶部，其设有三个均布分布的埋件孔，提供了与次镜支架连接的次镜支架机械接口201，通过用环氧树脂粘接殷钢埋件的形式提供螺纹孔。支撑杆下面板205位于锥型外框203的底部，其开有轻量化孔洞，且设有五个与主背板连接的主背板机械接口208，两个与主遮光罩连接的主遮光罩机械接口209。整个支撑架采用碳化硅一体化铸造成形，并通过机加加工埋件孔及安装端面。

所述主背板3包括主背板上面板304、中面板306、主背板下面板307、主背板外框312、内框313和放射型立筋314；所述主背板上面板304、中面板306及主背板下面板312通过放射型立筋314、外框312及内框313连接，形成了包括三组均布分布的上侧扇形空腔305和三组均布分布的下侧扇形空腔310在内的轻量化空腔。同时主背板3呈三角形，在保证轻量化的减小了整体包络尺寸，从而保证轻质小巧。主背板上面板304位于主背板的顶部，主背板上面板304上提供了三组均布分布的主镜组件机械接口301和三组主遮光罩机械接口302，结合图8，三组主遮光罩机械接口302中有一组有两个接口，其它两组各为一个接口；中面板306位于主背板的中部，中面板306上提供了三组均布分布的矫正镜组件机械接口311；主背板下面板307位于主背板的底部，主背板下面板307上提供了三个均布分布的调焦机构机械接口308及三组相机支腿机械接口309。上述所有机械接口(除301外)均采用通过用环氧树脂粘接殷钢埋件的形式提供螺纹孔。整个主背板采用碳化硅一体化铸造成形，并通过机加加工埋件孔及安装端面。主背板外框312位于主背板3的外周上，呈三角形；内框313位于主背板的中心，呈圆形；放射型立筋314位于主背板上面板304和主背板下面板307之间，呈辐射状分布。

本实施方式中所述的单杆式主承力结构的所有部件，包括次镜支架1、支撑杆2及主背板3均采用碳化硅(SiC)材料铸造机加而成；其埋件材料采用与碳化硅热膨胀系数一致的铟钢(4J32)。使用碳化硅材料预打沉头底孔与埋件采用环氧树脂胶粘接配合的方式。

Claims (4)

1.适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构，包括次镜支架(1)、支撑杆(2)和主背板(3)，所述次镜支架(1)与支撑杆(2)之间、支撑杆(2)与主背板(3)之间均采用法兰连接；其特征是：单杆式主承力结构采用分体式单悬臂形式，所述次镜支架(1)包括内环(105)、斜立筋(103)、前面板(104)、外框(102)和次镜支架下面板(106)；

所述外框(102)的前端连接内环(105)，后端连接次镜支架下面板(106)，外框(102)的侧壁上设置空腔(108)；所述内环(105)上均匀设置三个次镜遮光罩机械接口(101)，内环(105)通过斜立筋(103)与次镜组件安装面的前面板(104)连接，每个前面板(104)上均匀设置三组次镜组件机械接口(109)，所述次镜支架下面板(106)上均布设置三个与支撑杆(2)连接的支撑杆机械接口(107)；

所述支撑杆包括支撑杆上面板(202)、支撑杆下面板(205)、锥型外框(203)及横立筋(206)和之字型斜立筋(204)；

锥型外框(203)的周向一面开口三面封闭，其内部设置横立筋(206)及之字型斜立筋(204)，锥型外框(203)的顶部和底部分别设置为支撑杆上面板(202)和支撑杆下面板(205)，支撑杆上面板(202)通过横立筋(206)、之字型斜斜立筋(204)与支撑杆下面板(205)连接，并形成了三角形空腔(207)；支撑杆上面板(202)上均匀设置三个次镜支架机械接口(201)，支撑杆下面板(205)上设置主背板机械接口(208)和主遮光罩机械接口(209)；

所述主背板(3)包括主背板上面板(304)、中面板(306)、主背板下面板(307)、主背板外框(312)、内框(313)和放射型立筋(314)；

所述主背板上面板(304)、中面板(306)及主背板下面板(307)通过放射型立筋(314)、主背板外框(312)及内框(313)连接，并形成三组均布分布的上侧扇形空腔(305)和三组均布分布的下侧扇形空腔(310)；

所述主背板上面板(304)上均匀设置三组主镜组件机械接口(301)和三组主遮光罩机械接口(302)；中面板(306)上均匀设置三组矫正镜组件机械接口(311)；主背板下面板(307)上均匀设置三组调焦机构机械接口(308)和三组相机支腿机械接口(309)。

2.根据权利要求1所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构，其特征在于：所述次镜支架(1)、支撑杆(2)和主背板(3)均采用碳化硅一体铸造成形，在所述次镜支架和支撑杆(2)、支撑杆(2)和主背板(3)的连接间隙涂抹环氧树脂胶进行粘接固化。

3.根据权利要求1所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构，其特征在于：所述主背板外框(312)位于主背板的外周上，呈三角形；内框(313)位于主背板的中心，呈圆形；放射型立筋(314)位于主背板上面板(304)和主背板下面板(307)之间，呈辐射状分布。

4.根据权利要求1所述的适用于微纳遥感相机的单杆式主承力结构，其特征在于：所述次镜遮光罩机械接口(101)、次镜支架机械接口(201)、主背板机械接口(208)、主遮光罩机械接口(209)、主遮光罩机械接口(302)、矫正镜组件机械接口(311)、调焦机构机械接口(308)、相机支腿机械接口(309)均为通过环氧树脂粘接铟钢的形式提供的螺纹孔。