CN110187468A - 一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，解决现有主支撑结构的结构形式难以满足大口径、多负载下严苛的轻量化、高精度、高稳定性的要求。该主支撑结构包括括采用SiC材料制成的基板；所述基板的正面通过两个相互平行的第一加强筋分为左区域、中间区域及右区域；所述中间区域的中部开设有镜组安装孔，镜组安装孔以外的部分设有多个三角形减重槽；所述左区域和右区域结构相同，且以中间区域对称分布，左区域和右区域均设有多个三角形减重槽；所述基板的反面为一平面，其上设有多个用于安装光学组件的螺纹孔，多个螺纹孔均开设在三角形减重槽的槽壁上。

Description

一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构

技术领域

本发明涉及航天光机载荷系统的主支撑结构，具体涉及一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构。

背景技术

随着航天遥感技术的发展，作用距离越来越远，测量精度越来越高，必然带来光学口径越来越大。对于大口径光学遥感设备，主支撑结构作为遥感设备的骨架结构，必须保证光学系统的高稳定性和高可靠性，遥感设备主支撑结构主要有薄壁筒式、盒式、框架式、桁架式等形式。

薄壁筒式主支撑结构具有刚度高、整体结构稳定性好、方便检测和装调、且利于温度控制和杂散光的抑制等特点，一般用于对结构稳定性要求很高，而对重量控制较为宽松的支撑结构中，其缺点是重量较大，减重率较低，不适用于轻量化、高精度、高稳定的遥感相机。

盒式主支撑结构的刚度和强度高、整体稳定性好，主要用于多反离轴类复杂光学系统相机中。高强度的盒式结构重量较大，随着空间相机轻量化程度的提高，盒式结构逐渐被更轻量的结构所取代。

框架式主支撑结构的刚度十分优异，空间稳定性好，轻量化程度较低，适用于中小型离轴系统的主支撑结构，但不适用于轻量化程度高的遥感相机。

桁架式支撑结构的特点是比刚度高、装配灵活、形式简单，具有很强的可设计性，普遍适用于大中型、单反和多反、同轴以及离轴空间相机中，但不适用于轻量化、高精度、高稳定的遥感相机。

随着对遥感相机严苛的轻量化、高精度、高稳定性要求，其中主支撑结构需要具备以下特点：(1)良好的动态力学性能和模态分布，避免光学载荷与卫星平台产生共振，造成结构破坏；(2)良好的力学性能，主支撑结构受力变形引起的光学元件变形和位置变化需在设计要求范围内；(3)高热稳定性，环境温度改变情况下，主支撑结构要保证具有稳定的形状和尺寸；(4)由于承载的载荷较多，主支撑结构需具有多光学载荷的调试便捷性；(5)主支撑结构与光学元件的接口要合理，减小装配应力的传递；(6)良好的加工与装配性能，上述主支撑结构由于存在或多或少的缺点，难以满足实际需要。

空间遥感相机主支撑结构的发展呈现以下特点，结构形式上为一体化和组合式两方面。主支撑结构的一体化设计是将光学元件各部分的支撑件集成在一起(一体成型)，可以去掉大量的埋件和连接件，既减轻了重量，又减弱了支撑件的连接应力和变形，但是，目前采用局部一体化支撑结构仅适用于小型空间相机中。

组合式主支撑结构是结合两种或多种支撑形式，通过优势互补组合成新的支撑结构。典型的薄壁筒式和杆式组合结构具有良好的动态刚度和整体稳定性，同时易加工和装调。国内外较为传统的常用主支撑结构材料主要有硬铝合金、钛合金和殷钢。硬铝合金主要应用在轻量化程度较高而热稳定性要求较低的空间相机主支撑结构中；钛合金线胀系数小，普遍用于空间相机中；殷钢具有高强度和线胀系数可设计的特点，用于反射镜材料不同的空间相机主支撑结构中。

以上是较为传统的空间相机主支撑结构材料，随着材料业的发展，各种新型材料不断应用于制作空间相机主支撑结构。目前，材料比刚度较高并且材料成型工艺已获得较大发展的主要有碳纤维，碳纤维复合材料具有比刚度大、强度高、阻尼大、密度小、膨胀系数低和性能可设计等特点，符合空间光学相机光、机、热一体化设计的要求，已经广泛应用于空间相机的主支撑结构中。由于碳纤维材料的各项异性，空间主支撑结构需要大量的金属埋件，导致支撑结构的综合质量上升，很难同时满足高刚度和超轻两方面要求，同时复杂工况下难以保证支撑结构整体的稳定性。

发明内容

本发明的目的是解决现有主支撑结构的结构形式难以满足大口径相机严苛的轻量化、高精度、高稳定性的要求，而提供一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，在确保刚度、强度、轻量化情况下可达到高的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特殊之处在于：包括采用SiC材料制成的基板；所述基板的正面通过两个相互平行的第一加强筋分为左区域、中间区域及右区域；所述中间区域的中部开设有镜组安装孔，镜组安装孔以外的部分设有多个三角形减重槽；所述左区域和右区域结构相同，且以中间区域对称分布，左区域和右区域均设有多个三角形减重槽；所述基板的反面为一平面，其上设有多个用于安装光学组件的螺纹孔，多个螺纹孔均开设在三角形减重槽的槽壁上。

进一步地，所述左区域和右区域的高度从靠近中间区域向远离中间区域逐渐降低，在保证整体强度下，能够减轻产品重量。

进一步地，所述左区域上设有N条垂直于第一加强筋的第二加强筋，从而将左区域分割成N+1个单元；所述第二加强筋的高度与第一加强筋的高度相等。

进一步地，所述中间区域还设有与第一加强筋垂直的两条相互平行的第三加强筋，两条第三加强筋分别位于镜组安装孔的两侧，第三加强筋的高度与第一加强筋的高度相等；镜组安装孔与第一加强筋、第三加强筋之间设置有多条第四加强筋。

进一步地，所述镜组安装孔为台阶孔，台阶孔的大孔位于基板的正面，台阶孔的小孔位于基板的反面，台阶孔的大孔的孔壁和孔底之间沿圆周方向设有多条第五加强筋。

进一步地，所有三角形减重槽的槽壁高度均低于所述第一加强筋的高度。

进一步地，所述中间区域上，且垂直于第一加强筋的两个端面均开设有多个光学组件安装接口。

进一步地，所述N为3，三条第二加强筋在左区域均匀分布。

进一步地，所述第二加强筋和第三加强筋均设置在与三角形减重槽的槽壁重合的位置。

进一步地，所述基板的长度为2600mm，宽度为2100mm，厚度为150mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明的支撑基板采用SiC材料制成，SiC材料具有比刚度高、热导率大、热控性能好、热膨胀系数适中、各项同性的特点，该基板能够实现其上安装的光学组件和支撑结构同质化，减少结构之间的应力与变形，避免材料热膨胀系数不同导致的结构形变和面形变化，能够良好适应温度的变化，确保光学系统的成像质量；

基板的反面为平面，用于安装多个光学组件，多个光学组件处于同一基准面，能够实现光学组件之间装调的便捷性；基板的正面上设有减重三角形槽和加强筋的布置，能够满足安装光学组件的高刚度、高稳定性要求，同时达到轻量化的要求。

2、本发明基板正面的左区域和右区域的高度从靠近中间区域向远离中间区域逐渐降低，在保证整体强度下，能够减轻产品重量。

3、本发明的基板正面设有加强筋，提高了基板的高稳定性。

4、本发明的镜组安装孔为台阶孔，方便安装光学镜组件。

5、本发明在中间区域的两端面均开设有光学组件安装接口，可实现多负载安装。

6、本发明的基板具有较高的刚度，结构基频较高，能够达到200Hz以上。

附图说明

图1为本发明实施例SiC主支撑基板的结构示意图；

图2为本发明实施例SiC主支撑基板的主视图；

图3为本发明实施例SiC主支撑基板的俯视图。

图中各标号的说明如下：

1-反面，2-正面，21-左区域，22-中间区域，23-右区域，24-镜组安装孔；

3-三角形减重槽；4-第一加强筋，5-第二加强筋，6-第三加强筋，7-第四加强筋，8-第五加强筋，9-光学组件安装接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

SiC材料具有比刚度高、热导率大、热稳定性好、热膨胀系数适中、各项同性等特点，轻量化光学反射镜多采用烧结型碳化硅制作。利用烧结型碳化硅作为载荷主支撑结构，同质化的设计减小了结构之间的应力与变形，对于保证反射镜的面形精度和整体稳定性有利。因此本实例选择SiC材料应用在大口径全谱段光谱载荷的主支撑结构上，用来实现主支撑结构的高轻量化、高稳定性要求。SiC材料不仅比刚度高，同时在力学性能和热性能上均具有突出优势，不仅可以减轻结构的重量，还提高了结构在复杂工况下的抵抗变形能力，保证结构的整体稳定性

如图1至图3所示，本实例提供了一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，包括采用Si C材料制成的基板；所述基板的正面2通过两个相互平行的第一加强筋4分为左区域21、中间区域22及右区域23；所述中间区域22的中部开设有镜组安装孔24，镜组安装孔24以外的部分设有多个三角形减重槽3；所述左区域21和右区域23结构相同，且以中间区域22对称分布，左区域21和右区域23均设有多个三角形减重槽3；所述三角形减重槽3的高度低于所述第一加强筋4的高度，基板正面2的采用三角形减重槽3达到轻量化设计以及第一加强筋4的布置，通过理论计算仿真能够满足载荷高刚度、高稳定性设计要求；所述基板的反面1为一平面，其上设有多个用于安装光学组件(光学载荷)的螺纹孔，多个螺纹孔均开设在三角形减重槽3的槽壁上，基板的反面1能够承载多个光学载荷，实现多个载荷之间装调的便捷性。

目前，大口径光学系统主反射镜以及大部分中继反射镜均采用SiC作为镜坯材料，SiC支撑基板的设计能够实现镜体和支撑结构同质化设计，避免材料热膨胀系数不同导致的结构形变和面形变化，能够良好适应温度的变化，确保光学系统的成像质量。

本实施例的支撑结构中，左区域21和右区域23的高度从靠近中间区域22向远离中间区域22逐渐降低；左区域21上设有2条垂直于第一加强筋4的第二加强筋5，从而将左区域21分割成3个单元，2条第二加强筋5均布在左区域21，所述第二加强筋5的高度与第一加强筋4的高度相等；所述中间区域22还设有与第一加强筋4垂直的两条相互平行的第三加强筋6，两条第三加强筋6分别位于镜组安装孔24的两侧，第三加强筋6的高度与第一加强筋4的高度相等；镜组安装孔24与第一加强筋4、第三加强筋6之间设置有多条第四加强筋7，优选为6条，6条第四加强筋7在镜组安装孔24的外周呈“米”字型分布；

为了方便在镜组安装孔24上安装光学镜，镜组安装孔24为台阶孔，台阶孔的大孔位于基板的正面2，台阶孔的小孔位于基板的反面1，台阶孔的大孔内沿圆周方向设有多条第五加强筋8，优选第五加强筋8为六条，第五加强筋8的竖截面为直角三角形，直角三角形的两个直角边与台阶孔大孔外侧的基板固连。

本实施例在中间区域的两端面均开设有光学组件安装接口，其作用是可实现多负载安装，前端面安装前置镜系统，后端安装各个光学负载模块。

本实施例的中间区域22上，且垂直于第一加强筋4的两个端面均开设有多个光学组件安装接口9；所述第二加强筋5和第三加强筋6设置在与三角形减重槽3的槽壁重合的位置。

本实施例的基板具有较高的承载能力，能够承载高达700kg光学负载；本实施例的基板具有过载下的高稳定性，自重最大变形不超过0.005mm，在10g过载情况下，最大变形量不超过0.05mm。

主支撑基板的功能

主支撑基板结构作为遥感设备的“骨架结构”，其上需要安装光学载荷，大尺寸结构稳定性要求高，是整个光学载荷的结构基础，主要功能包括：1)基板的反面1为光学载荷直接提供结构支撑和安装接口，基板的反面为一平面，以基板的反面表面作为各个光学载荷的测试基准、载荷整体测试基准、以及载荷与卫星安装基准，精度高；以及反面的螺纹孔作为安装接口；2)基板的正面2为光学镜组件提供结构支撑；3)承担整个光学载荷与卫星平台的接口结构功能；4)承担光学载荷总装操作时与地面工装的接口结构功能。

该主支撑基板的结构设计，能够实现光学元件高位置精度稳定性支撑，基板结构采用了扁平式加筋支撑结构，增加了强度。

主支撑基板结构轻量化设计

支撑基板设计尺寸：长度：2600mm，宽度：2100mm，高度(整体厚度)：150mm。支撑基板作为光学组件的公共连接平台，其高刚度和高稳定性是保证整个光学系统成像质量的关键，在确保刚度和强度的情况下进行轻量化，整体采用三角形减重槽设计，加强筋厚度平均5mm～8mm，前面板厚度不大于10mm(整个厚度减去加强筋高度，也就是没有加强筋的纯厚度)。基板材料选择烧结SiC，整体重量320kg。

支撑基板正面2用以连接主镜和次镜组件，并且通过桁架结构对遮光罩组件进行固定，另一面用以连接光学组件；在基板上下表面、中心圆、侧面等建立公共基准，作为基板的加工基准、各个光学模块安装定位基准、各个光学模块的测试基准、载荷整体测试基准、以及载荷与卫星安装基准等。各个光学负载安装和测试采用统一的基准能够实现较高的位置精度，利于装调。

主支撑基板有限元仿真分析验证

为验证SiC主支撑基板的设计状态，对基板进行了有限元仿真分析验证，研究主支撑基板的自由模态和重力变形情况。设计采用的SiC材料参数如表1所示

表1材料属性

通过分析，提取主支撑基板的前十阶模态，模态分析如表2所示，零件基频为206.8Hz，大尺寸的主支撑基板具有较高的结构刚度，能够满足对光学载荷的支撑。

表2模态分析结果

阶数	频率
		1	206.8
2	354.7
		3	528.2
4	881.1
		5	1184.1
6	1244.6
		7	1427.5
8	1678.5
		9	1855.8
10	1931.4

通过对主支撑基板在法向施加自身重力载荷，进行静力学仿真分析，获得主支撑基板在重力载荷情况下的变形情况。在中心上下两处发生最大变形为0.007mm，变形量向两边依次逐渐减小，正面2的主镜安装位置变形为0.0037mm，反面1的光学组件安装平台位置变形为0.0018mm，能够满足承载的载荷之间位置尺寸精度。

Claims (10)

1.一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：包括采用SiC材料制成的基板；

所述基板的正面(2)通过两个相互平行的第一加强筋(4)分为左区域(21)、中间区域(22)及右区域(23)；

所述中间区域(22)的中部开设有镜组安装孔(24)，镜组安装孔(24)以外的部分设有多个三角形减重槽(3)；

所述左区域(21)和右区域(23)结构相同，且以中间区域(22)对称分布，左区域(21)和右区域(23)均设有多个三角形减重槽(3)；

所述基板的反面(1)为一平面，其上设有多个用于安装光学组件的螺纹孔，多个螺纹孔均开设在三角形减重槽(3)的槽壁上。

2.根据权利要求1所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：所述左区域(21)和右区域(23)的高度从靠近中间区域(22)向远离中间区域(22)逐渐降低。

3.根据权利要求2所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：

所述左区域(21)上设有N条垂直于第一加强筋(4)的第二加强筋(5)，从而将左区域(21)分割成N+1个单元；

所述第二加强筋(5)的高度与第一加强筋(4)的高度相等。

4.根据权利要求3所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：

所述中间区域(22)还设有与第一加强筋(4)垂直的两条相互平行的第三加强筋(6)，两条第三加强筋(6)分别位于镜组安装孔(24)的两侧，第三加强筋(6)的高度与第一加强筋(4)的高度相等；

镜组安装孔(24)与第一加强筋(4)、第三加强筋(6)之间设置有多条第四加强筋(7)。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：

所述镜组安装孔(24)为台阶孔，台阶孔的大孔位于基板的正面(2)，台阶孔的小孔位于基板的反面(1)，台阶孔的大孔孔壁和孔底之间内沿圆周方向设有多条第五加强筋(8)。

6.根据权利要求5所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：

所有三角形减重槽(3)的槽壁高度均低于所述第一加强筋(4)的高度。

7.根据权利要求6所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：所述中间区域(22)上，且垂直于第一加强筋(4)的两个端面均开设有多个光学组件安装接口(9)。

8.根据权利要求3所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：所述N为3，三条第二加强筋(5)在左区域(21)均匀分布。

9.根据权利要求4所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：所述第二加强筋(5)和第三加强筋(6)均设置在与三角形减重槽(3)的槽壁重合的位置。

10.根据权利要求1所述的一种用于大口径全谱段高光谱载荷的SiC主支撑结构，其特征在于：

所述基板的长度为2600mm，宽度为2100mm，厚度为150mm。