CN110231689A - 推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，包括调整垫片、次镜室、桁架杆、金属预埋件和支撑环。调整垫片上端凸台为次镜组件的安装平面，金属预埋件下端凸台为桁架与主镜组件的安装平面。其中调整垫片、次镜室、金属预埋件采用钛合金材料，桁架杆、支撑环采用碳纤维复合材料。桁架杆横截面为回字形，支撑环横截面为凹字形。本发明的桁架支撑结构总质量小于2.2kg，是传统金属桁架质量的1/3～1/2倍。此桁架支撑结构简单、质量轻，具有良好的强度、刚度以及结构稳定性等指标特性，可以抵御空间光学载荷在发射过程中受到的复杂力学环境的影响，确保光学元件之间的位置关系，满足推凝一体化高分辨率空间光学载荷对支撑结构的要求。

Description

推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构

技术领域

本发明属于空间光学精密机械技术领域，具体涉及一种推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构。

背景技术

空间光学载荷碳纤维桁架是主要光学元件之间的支撑结构，须具备良好的强度、刚度以及结构稳定性等指标，以抵御光学载荷在发射过程中受到的复杂力学环境的影响，确保光学元件之间的位置关系，保证光学载荷的成像质量。碳纤维复合材料与传统的金属材料相比，具有密度小、比强度高、比刚度大、热稳定性好等物理与力学属性，同时碳纤维复合材料结构件的制备工艺日趋成熟，因此碳纤维复合材料在空间光学精密机械领域得到了较为广泛地应用。碳纤维桁架可以满足推凝一体化高分辨率空间光学载荷对主支撑结构提出的各项指标要求。

与本发明最接近的已有技术是李凯于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所攻读硕士学位时，于2015年12月发表的硕士学位论文《灵巧视频相机结构设计及其稳定性研究》中提出的一种空间相机三杆支撑主承力结构，包括桁架上环、桁架下环、桁架杆、预埋件、主背板等。该结构缺点主要在于：①质量大6.07kg，一阶基频较低138Hz，结构强度、刚度指标较差；②桁架杆下部未设置单独的支撑环，而是与主镜室(即文中所述桁架下环)连接在一起，导致支撑结构轴向尺寸过大、重量大，在桁架组件装配完成后，不易对支撑结构两个端面进行研磨加工，导致两端平面平行度差、两端平面与桁架轴线的垂直度差，影响相机主镜、次镜的安装精度以及主、次镜之间的相对位置；③次镜室上端未布置调整垫片，整机装调时不易对相机主、次镜之间的位置进行微调；④次镜室周围也未给出相机遮光罩的安装孔位。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，其可应用于带校正镜R-C光学系统的推凝一体化高分辨率空间光学载荷，并满足推凝一体化高分辨率空间光学载荷对支撑结构强度、刚度以及结构稳定性等指标的要求。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，包括：调整垫片、次镜室、桁架杆、金属预埋件和支撑环；

所述调整垫片采用钛合金材料，上端均布3个第一凸台；所述第一凸台的上端面为次镜组件的安装平面，调整垫片下端面为调整垫片与次镜室的安装平面；每个所述第一凸台的两侧调整垫片上均对称设置有第一螺钉通孔，并且6个所述的第一螺钉通孔在调整垫片圆周上均布设置；每个所述第一凸台上对称布置2个第二螺钉通孔、2个第一销钉孔；

所述次镜室采用钛合金材料，其上端面为调整垫片的安装平面，下端面均布三根与次镜室轴线呈16.3°夹角的第一回字形杆；所述第一回字形杆的横截面为等壁厚回字形，壁厚2.5mm，其外表面为桁架杆的粘接平面；每根所述第一回字形杆的上平面对称布置用于固定光学载荷遮光罩的2个第一螺纹孔；所述次镜室的外圆面上均布厚度为4mm的3个第一加强筋、3个加强斜筋；所述次镜室上端面均布6个第二螺纹孔与所述第一螺钉通孔相对应、6个第三螺纹孔与所述第二螺钉通孔相对应及6个第二销钉孔与所述第一销钉孔相对应；

所述桁架杆采用碳纤维复合材料，其横截面为等壁厚回字形，壁厚3mm；所述桁架杆的上端与次镜室连接，下端与金属预埋件连接；

所述金属预埋件采用钛合金材料，为对称结构形式，其上端的第二回字形杆与底面的第二凸台法线呈16.3°夹角；所述第二回字形杆的横截面为等壁厚回字形，壁厚2.5mm，其外表面为桁架杆的粘接平面；所述金属预埋件的圆弧板、底板厚度皆为2.5mm，2个圆弧板外侧面、底板下表面为支撑环粘接平面；所述圆弧板、底板内侧对称布置2个第二加强筋，筋厚3mm，用于加强金属预埋件的力学性能；所述第二凸台为桁架与主镜组件的安装平面，其厚度为4mm，同时在每个底板及第二凸台上对称布置用于桁架与主镜组件连接的2个第三螺钉通孔、2个第三销钉孔，通过螺钉、销钉将桁架与主镜组件进行连接；

所述支撑环采用碳纤维复合材料，横截面为等壁厚凹字形，壁厚为3mm；所述支撑环的圆周上循环对称布置9个第三加强筋，筋厚为3mm；所述支撑环底板上均布3个第二凸台底孔，对3个金属预埋件的相对位置进行固定。

在上述技术方案中，3个所述第一凸台共面，平面度优于3μm。

在上述技术方案中，所述调整垫片的下端面与第一凸台平面的平行度优于3μm。

在上述技术方案中，所述次镜室上端面的平面度优于3μm。

在上述技术方案中，所述桁架杆采用模压成形工艺制造，根据所处的外部动力学环境，确定桁架杆的最优铺层方式为[±12°]₇0°(0°方向为杆的长度方向)。

在上述技术方案中，所述支撑环采用模压成形工艺制造，根据所处的外部动力学环境，确定支撑环的最优铺层方式为[0°/90°/45°/-45°/0°]₆(0°方向为支撑环的圆周方向)。

在上述技术方案中，所述次镜室与支撑环的直径比为1:2.9。

本发明的有益效果：

本发明提供的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，可应用于带校正镜R-C光学系统的推凝一体化高分辨率空间光学载荷，是空间光学载荷主要光学元件之间的支撑结构。桁架由调整垫片、次镜室、桁架杆、金属预埋件、支撑环组成。调整垫片上端凸台为次镜组件的安装平面，金属预埋件下端凸台为桁架与主镜组件的安装平面。其中调整垫片、次镜室、金属预埋件采用钛合金材料，桁架杆([±12°]₇0°)、支撑环([0°/90°/45°/-45°/0°]₆)采用碳纤维复合材料。桁架杆横截面为回字形，支撑环横截面为凹字形，并在支撑环圆周上循环对称布置9个加强筋。桁架杆与桁架轴线的夹角为16.3°，次镜室与支撑环的直径比为1:2.9。本发明的桁架支撑结构总质量小于2.2kg，是传统金属桁架质量的1/3～1/2倍左右。本发明的桁架支撑结构简单、质量轻，具有良好的强度、刚度以及结构稳定性等指标特性。

本发明提供的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，在桁架组件装配完成后，对桁架两个端面进行研磨加工，保证两端平面的平行度、两端平面与桁架轴线的垂直度要求，加工工艺简单；在整机装调时，通过研磨调整垫片的方式对光学元件之间的位置关系进行微调，装配工艺简单；桁架一阶基频为179.9Hz，正弦振动的加速度放大倍率小于1.08倍，具有良好的强度、刚度以及结构稳定性等指标，可以抵御光学载荷在发射过程中受到的复杂力学环境的影响，保障光学元件之间的位置关系，满足推凝一体化高分辨率空间光学载荷对支撑结构的要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构的结构示意图。

图2为调整垫片的结构示意图。

图3为次镜室的结构示意图。

图4为桁架杆的结构示意图。

图5为金属预埋件的结构示意图。

图6为支撑环的结构示意图。

图7为第一回字形杆、桁架杆、第二回字形杆与桁架轴线的夹角示意图。

图中的附图标记表示为：

图1中：1为调整垫片，2为次镜室，3为桁架杆，4为金属预埋件，5为支撑环；

图2中：1-1为第一螺钉通孔，1-2为第一凸台，1-3为第二螺钉通孔，1-4为第一销钉孔；

图3(a、b)中：2-1为第一加强筋，2-2为加强斜筋，2-3为第一回字形杆，2-4为第一螺纹孔，2-5为第二螺纹孔，2-6为第三螺纹孔，2-7为第二销钉孔；

图5中：4-1为第二回字形杆，4-2为第二加强筋，4-3为底板，4-4为第二凸台，4-5为第三螺钉通孔，4-6为第三销钉孔，4-7为圆弧板；

图6中：5-1为第三加强筋，5-2为底孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以详细说明。

本发明的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构如图1所示，包括调整垫片1、次镜室2、桁架杆3、金属预埋件4、支撑环5。

所述调整垫片1采用钛合金材料，如图2所示，圆周上均布6个第一螺钉通孔1-1，同时在所述次镜室2上端面对应位置均布6个第二螺纹孔2-5，如图3a所示，通过螺钉将调整垫片1与次镜室2进行连接。调整垫片1上端均布3个第一凸台1-2，其为次镜组件的安装平面，要求3个第一凸台1-2共面，平面度优于3μm，每个第一凸台1-2上对称布置2个第二螺钉通孔1-3、2个第一销钉孔1-4，同时在所述次镜室2上端对应位置布置6个第三螺纹孔2-6、6个第二销钉孔2-7，通过螺钉、销钉将次镜组件与桁架进行连接。调整垫片1下端面与第一凸台1-2平面的平行度优于3μm。

所述次镜室2采用钛合金材料，如图3a、3b所示，次镜室2上端面为调整垫片1的安装平面，平面度优于3μm，下端均布三根与次镜室2轴线呈16.3°夹角的第一回字形杆2-3；所述第一回字形杆2-3的横截面为等壁厚回字形，壁厚2.5mm，所述第一回字形杆2-3的外表面为桁架杆3的粘结平面，通过粘胶方式将第一回字形杆2-3与桁架杆3进行连接。在每根第一回字形杆2-3的上平面对称布置2个第一螺纹孔2-4，用于固定光学载荷遮光罩。在次镜室2外圆面上均布厚度为4mm的3个第一加强筋2-1、3个加强斜筋2-2，用于加强次镜室2的力学性能。同时可在次镜室2外圆面上铺贴加热片，以保证次镜在适宜的温度范围内工作。

所述桁架杆3采用碳纤维复合材料，如图4所示，横截面为等壁厚回字形，壁厚3mm。桁架杆3上端通过粘胶方式与次镜室2下端第一回字形杆2-3连接，下端通过粘胶方式与金属预埋件4上端第二回字形杆4-1进行连接。桁架杆3采用模压成形工艺制造，根据所处的外部动力学环境，确定桁架杆3的最优铺层方式为[±12°]₇0°(0°方向为杆的长度方向)。

所述金属预埋件4采用钛合金材料，为对称结构形式，如图5所示。金属预埋件4上端第二回字形杆4-1与底面第二凸台4-4法线呈16.3°夹角，如图7所示。第二回字形杆4-1的横截面为等壁厚回字形，壁厚2.5mm，外表面为桁架杆3的粘接平面，通过粘胶方式与桁架杆3下端连接。所述金属预埋件4的圆弧板4-7、底板4-3厚度皆为2.5mm，2个圆弧板4-7外侧面、底板4-3下表面为支撑环5粘接平面，通过粘胶方式与支撑环5进行连接。同时在圆弧板4-7、底板4-3内侧对称布置2个第二加强筋4-2，筋厚3mm，用于加强金属预埋件4的力学性能。所述金属预埋件4的第二凸台4-4为桁架与主镜组件的安装平面，第二凸台4-4厚度为4mm，同时在每个所述金属预埋件4的底板4-3及底面第二凸台4-4上对称布置用于桁架与主镜组件连接的2个第三螺钉通孔4-5、2个第三销钉孔4-6，通过螺钉、销钉将桁架与主镜组件进行连接。

所述支撑环5采用碳纤维复合材料，如图6所示，横截面为等壁厚凹字形，壁厚为3mm。并在支撑环5圆周上循环对称布置9个第三加强筋5-1，筋厚为3mm。在支撑环5底板上均布3个所述金属预埋件4的第二凸台4-4底孔5-2，通过粘胶方式与金属预埋件4进行连接，对3个金属预埋件4的相对位置进行固定。支撑环5采用模压成形工艺制造，根据所处的外部动力学环境，确定支撑环5的最优铺层方式为[0°/90°/45°/-45°/0°]₆(0°方向为支撑环的圆周方向)。

以上所述次镜室2、桁架杆3、金属预埋件4、支撑环5通过粘胶方式进行连接时，须通过模具对它们之间的相对位置进行固定，待胶固化48小时以上，去掉模具；然后对金属预埋件4的3个第二凸台4-4、次镜室2上平面进行研磨加工，保证第二凸台4-4平面与次镜室2上平面平行度优于5μm，第二凸台4-4平面、次镜室2上平面与桁架轴线的垂直度优于20μm；次镜室2与支撑环5的直径比为1:2.9；最后在进行空间光学载荷的整机装调时，可以通过研磨调整垫片1的方式对光学元件之间的位置关系进行微调，最后打销钉将桁架、主镜组件、次镜组件的相对位置最终固定。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，其特征在于，包括：调整垫片(1)、次镜室(2)、桁架杆(3)、金属预埋件(4)和支撑环(5)；

所述调整垫片(1)采用钛合金材料，上端均布3个第一凸台(1-2)；所述第一凸台(1-2)的上端面为次镜组件的安装平面，调整垫片(1)下端面为调整垫片(1)与次镜室(2)的安装平面；每个所述第一凸台(1-2)的两侧调整垫片(1)上均对称设置有第一螺钉通孔(1-1)，并且6个所述的第一螺钉通孔(1-1)在调整垫片(1)圆周上均布设置；每个所述第一凸台(1-2)上对称布置2个第二螺钉通孔(1-3)、2个第一销钉孔(1-4)；

所述次镜室(2)采用钛合金材料，其上端面为调整垫片(1)的安装平面，下端面均布三根与次镜室(2)轴线呈16.3°夹角的第一回字形杆(2-3)；所述第一回字形杆(2-3)的横截面为等壁厚回字形，壁厚2.5mm，其外表面为桁架杆(3)的粘接平面；每根所述第一回字形杆(2-3)的上平面对称布置用于固定光学载荷遮光罩的2个第一螺纹孔(2-4)；所述次镜室(2)的外圆面上均布厚度为4mm的3个第一加强筋(2-1)、3个加强斜筋(2-2)；所述次镜室(2)上端面均布6个第二螺纹孔(2-5)与所述第一螺钉通孔(1-1)相对应，6个第三螺纹孔(2-6)与所述第二螺钉通孔(1-3)相对应及6个第二销钉孔(2-7)与所述第一销钉孔(1-4)对应；

所述桁架杆(3)采用碳纤维复合材料，其横截面为等壁厚回字形，壁厚3mm；所述桁架杆(3)的上端与次镜室(2)连接，下端与金属预埋件(4)连接；

所述金属预埋件(4)采用钛合金材料，为对称结构形式，其上端的第二回字形杆(4-1)与底面的第二凸台(4-4)法线呈16.3°夹角；所述第二回字形杆(4-1)的横截面为等壁厚回字形，壁厚2.5mm，其外表面为桁架杆(3)的粘接平面；所述金属预埋件(4)的圆弧板(4-7)、底板(4-3)厚度皆为2.5mm，2个圆弧板(4-7)外侧面、底板(4-3)下表面为支撑环(5)粘接平面；所述在圆弧板(4-7)、底板(4-3)内侧对称布置2个第二加强筋(4-2)，筋厚3mm，用于加强金属预埋件(4)的力学性能；所述第二凸台(4-4)为桁架与主镜组件的安装平面，其厚度为4mm，同时在每个底板(4-3)及第二凸台(4-4)上对称布置用于桁架与主镜组件连接的2个第三螺钉通孔(4-5)、2个第三销钉孔(4-6)，通过螺钉、销钉将桁架与主镜组件进行连接；

所述支撑环(5)采用碳纤维复合材料，横截面为等壁厚凹字形，壁厚为3mm；所述支撑环(5)的圆周上循环对称布置9个第三加强筋(5-1)，筋厚为3mm；所述支撑环(5)底板上均布3个第二凸台(4-4)底孔(5-2)，对3个金属预埋件(4)的相对位置进行固定。

2.根据权利要求1所述的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，其特征在于，3个所述第一凸台(1-2)共面，平面度优于3μm。

3.根据权利要求1所述的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，其特征在于，所述调整垫片(1)的下端面与第一凸台(1-2)平面的平行度优于3μm。

4.根据权利要求1所述的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，其特征在于，所述次镜室(2)上端面的平面度优于3μm。

5.根据权利要求1所述的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，其特征在于，所述桁架杆(3)采用模压成形工艺制造，根据所处的外部动力学环境，确定桁架杆(3)的铺层方式为[±12°]₇0°。

6.根据权利要求1所述的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，其特征在于，所述支撑环(5)采用模压成形工艺制造，根据所处的外部动力学环境，确定支撑环(5)的铺层方式为[0°/90°/45°/-45°/0°]₆。

7.根据权利要求1所述的推凝一体化高分辨空间光学载荷超轻碳纤维桁架支撑结构，其特征在于，所述次镜室(2)与支撑环(5)的直径比为1:2.9。