CN111830655A - 一种空间光学载荷的运动学支撑结构 - Google Patents

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李思远
李立波
张兆会
王帅
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Abstract

本发明属于空间光学遥感器技术领域，为了避免光学载荷由地面到空间环境产生变形的问题，提出一种空间光学载荷的运动学支撑结构，包括固定支撑腿、柔性支撑腿及细颈支撑腿；固定支撑腿、柔性支撑腿及细颈支撑腿均包括上法兰与下法兰，固定支撑腿、柔性支撑腿及细颈支撑腿均通过上法兰与光学载荷底部固定，均通过下法兰与外部卫星平台承力板固定；固定支撑腿约束光学载荷X、Y、Z三个方向的平动自由度；固定支撑腿和柔性支撑腿相互配合约束光学载荷绕Y轴和Z轴的旋转自由度；固定支撑腿和细颈支撑腿相互配合约束光学载荷绕X轴的旋转自由度。采用3‑2‑1约束形式，降低环境变化对结构形状的影响。可应用于空间遥感、航空摄像、环境监测等领域。

Description

一种空间光学载荷的运动学支撑结构
技术领域
本发明属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种空间光学载荷的运动学支撑结构。
背景技术
受发射力学环境、重力变化、温度变化等多种空间环境影响，光学载荷由地面到空间环境时，可能会产生不可预知的变形。这种变形虽然不大，但已远远超出光学允差范围，从而影响光学载荷性能。
通常的做法是，采用运动学支撑结构进行静定支撑，以减小潜在的应力变形。如果刚体任何一个运动自由度被多次约束，刚体将会因额外约束产生应力变形，运动学支撑不产生过约束，可实现静定支撑。国内外通常在高精度的光学组件上采用运动学设计，但对于光学载荷的支撑结构，缺少成熟的解决方案。
发明内容
为了避免光学载荷由地面到空间环境产生变形的问题，本发明提供一种力热稳定性好、空间环境适应性强的光学载荷支撑装置，采用3-2-1约束形式，三个支撑腿组合可以恰好完全约束光学载荷的六个空间自由度，降低环境变化对结构形状的影响。可应用于空间遥感、航空摄像、环境监测等领域。
本发明的技术方案是提供一种空间光学载荷的运动学支撑结构，其特殊之处在于：包括固定支撑腿、柔性支撑腿及细颈支撑腿；
固定支撑腿、柔性支撑腿及细颈支撑腿均包括上法兰与下法兰，固定支撑腿、柔性支撑腿及细颈支撑腿均通过上法兰与光学载荷底部固定，均通过下法兰与外部卫星平台承力板固定；
定义光学载荷底部所在平面为XY平面；固定支撑腿、柔性支撑腿及细颈支撑腿在Z向的高度相等；
固定支撑腿约束光学载荷X、Y、Z三个方向的平动自由度；固定支撑腿和柔性支撑腿相互配合约束光学载荷绕Y轴和Z轴的旋转自由度；固定支撑腿和细颈支撑腿相互配合约束光学载荷绕X轴的旋转自由度。
进一步地，在XYZ坐标系中，将固定支撑腿轴向中心坐标定义为(0，0，z)，则柔性支撑腿的轴向中心坐标为(x，0，z)，细颈支撑腿的轴向中心坐标为(0，y，z)。
进一步地，为了提高各支撑腿的支撑性能，固定支撑腿、柔性支撑腿及细颈支撑腿均采用刚度高、强度高且隔热性能较好的钛合金材料制作。
进一步地，为了在约束光学载荷X、Y、Z三个方向的平动自由度的同时保证在X、Y、Z三个方向上均有较大刚度，固定支撑腿还包括位于固定支撑腿上法兰与固定支撑腿下法兰之间、并与固定支撑腿上法兰与固定支撑腿下法兰同轴的正交十字交叉筋。
进一步地，优化后的正交十字交叉筋中筋板的宽度与固定支撑腿上法兰直径相等，小于固定支撑腿下法兰直径；定义筋板的长度方向为z向。
进一步地，为了满足柔性支撑腿刚度及柔性的需求，柔性支撑腿还包括位于柔性支撑腿上法兰与柔性支撑腿下法兰之间的一字柔片。沿柔片平面方向刚度较好，柔片法线方向刚度较差，受载荷作用易弯曲。
进一步地，优化后的一字柔片的宽度与柔性支撑腿上法兰直径相等，小于柔性支撑腿下法兰直径；定义一字柔片的长度方向为z向。
进一步地，为了满足细颈支撑腿刚度及柔性的需求，细颈支撑腿还包括位于上法兰与下法兰之间、并与上法兰与下法兰同轴的细颈柔性结构，细颈柔性结构为圆柱体，径向尺寸远小于上法兰与下法兰的直径。沿细颈轴线方向刚度较大，其余方向刚度较差，受力容易弯曲。
进一步地，固定支撑腿上法兰、柔性支撑腿上法兰和细颈支撑腿上法兰均通过载荷连接螺钉与光学载荷固定；固定支撑腿下法兰、柔性支撑腿下法兰和细颈支撑腿下法兰均通过平台连接螺钉与外部卫星平台承力板固定；
固定后，正交十字交叉筋两个筋板的宽度方向分别与XY向平行，且正交十字交叉筋的其中一个筋板与一字柔片相互平行。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用运动学支撑原理，采用3-2-1约束形式，光学载荷的六个空间自由度被完全约束，且不产生过约束，保证了整体的结构刚度；
2)各支撑腿可在相应方向产生柔性形变，有效释放来自卫星平台的力热载荷，保证整体光学载荷的力热稳定性。
附图说明
图1为本发明空间光学载荷的运动学支撑结构轴侧图；
图2为本发明空间光学载荷的运动学支撑结构仰视图；
图3为固定支撑腿轴侧图；
图4为柔性支撑腿轴侧图；
图5为细颈支撑腿轴侧图；
图中附图标记为：1-光学载荷，2-固定支撑腿，3-柔性支撑腿，4-细颈支撑腿，5-载荷连接螺钉，6-平台连接螺钉，201-固定支撑腿上法兰，202-正交十字交叉筋，203-固定支撑腿下法兰，301-柔性支撑腿上法兰，302-一字柔片，303-柔性支撑腿下法兰，401-细颈支撑腿上法兰，402-细颈柔性结构，403-细颈支撑腿下法兰。
具体实施方式
本发明的发明构思为：采用运动学支撑原理将光学载荷安装至卫星平台承力板上，光学载荷的六个空间自由度被完全约束，且不产生过约束，各支撑腿通过柔性变形，有效释放来自卫星平台的力热载荷，从而保证光学载荷的整体刚度和力热稳定性。
以下结合附图对本发明进行详细说明：
图1和图2所示分别为空间光学载荷的运动学支撑结构的轴侧图和仰视图，包括固定支撑腿2、柔性支撑腿3、细颈支撑腿4、载荷连接螺钉5和平台连接螺钉6。光学载荷1通过载荷连接螺钉5分别与固定支撑腿2、柔性支撑腿3和细颈支撑腿4连接，固定支撑腿2、柔性支撑腿3和细颈支撑腿4再分别通过平台连接螺钉6连接到外部卫星平台承力板上。固定支撑腿2、柔性支撑腿3和细颈支撑腿4均采用刚度高、强度高且隔热性能较好的钛合金材料制作。
如图2，将光学载荷1底部所在平面定义为XY平面，则固定支撑腿2、柔性支撑腿3和细颈支撑腿4在XY平面的投影中心连线形成直角三角形，固定支撑腿2分别与柔性支撑腿3及细颈支撑腿4的投影中心连线为两条直角边，柔性支撑腿3与细颈支撑腿4的投影中心连线为斜边。如果将固定支撑腿轴向中心坐标定义为(0，0，z)，则柔性支撑腿的轴向中心坐标为(x，0，z)，细颈支撑腿的轴向中心坐标为(0，y，z)。固定支撑腿2、柔性支撑腿3和细颈支撑腿4在Z向的长度相等。
图3、图4和图5分别为固定支撑腿2、柔性支撑腿3和细颈支撑腿4的轴测图。
固定支撑腿2包括固定支撑腿上法兰201、固定支撑腿下法兰203及位于固定支撑腿上法兰201与固定支撑腿下法兰203之间的正交十字交叉筋202，正交十字交叉筋202与固定支撑腿上法兰201和固定支撑腿下法兰203同轴。两个筋板的宽度与固定支撑腿上法兰201的直径相等，小于固定支撑腿下法兰203的直径。
柔性支撑腿3包括柔性支撑腿上法兰301、柔性支撑腿下法兰303及位于柔性支撑腿上法兰301和柔性支撑腿下法兰303之间的一字柔片302，一字柔片302的宽度等于柔性支撑腿上法兰301的直径，小于柔性支撑腿下法兰303的直径。
细颈支撑腿4包括细颈支撑腿上法兰401、细颈支撑腿下法兰403及位于细颈支撑腿上法兰401和细颈支撑腿下法兰403之间的细颈柔性结构402，细颈柔性结构402为圆柱体，其直径远小于细颈支撑腿上法兰401与细颈支撑腿下法兰403的直径。
固定支撑腿上法兰201、柔性支撑腿上法兰301和细颈支撑腿上法兰401通过载荷连接螺钉5与光学载荷1的底部固定，固定支撑腿下法兰203、柔性支撑腿下法兰303和细颈支撑腿下法兰403通过平台连接螺钉6与外部卫星平台承力板固定。
固定后，正交十字交叉筋202两个筋板的宽度方向分别与XY向平行，且正交十字交叉筋202的其中一个筋板与一字柔片302相互平行。
固定支撑腿2中部的正交十字交叉筋202，在X、Y、Z三个方向上均有较大刚度；柔性支撑腿3中部的一字柔片302，沿柔片平面方向刚度较好，柔片法线方向刚度较差，受载荷作用易弯曲；细颈支撑腿4中部的细颈柔性结构402，沿细颈轴线方向刚度较大，其余径向方向刚度较差，受力容易弯曲。固定支撑腿2约束光学载荷1沿X、Y、Z三个方向的平动自由度，固定支撑腿2和柔性支撑腿3配合约束光学载荷1绕Y轴和Z轴的旋转自由度，固定支撑腿2和细颈支撑腿4配合约束光学载荷1绕X轴的旋转自由度，至此，光学载荷六个空间自由度恰好被完全约束。

Claims (9)

1.一种空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：包括固定支撑腿(2)、柔性支撑腿(3)及细颈支撑腿(4)；
固定支撑腿(2)、柔性支撑腿(3)及细颈支撑腿(4)均包括上法兰与下法兰，固定支撑腿(2)、柔性支撑腿(3)及细颈支撑腿(4)均通过上法兰与光学载荷(1)的底部固定，均通过下法兰与外部卫星平台承力板固定；
定义光学载荷(1)的底部所在平面为XY平面；固定支撑腿(2)、柔性支撑腿(3)及细颈支撑腿(4)在Z向的高度相等；
固定支撑腿(2)约束光学载荷(1)X、Y、Z三个方向的平动自由度；固定支撑腿(2)和柔性支撑腿(3)相互配合约束光学载荷(1)绕Y轴和Z轴的旋转自由度；固定支撑腿(2)和细颈支撑腿(4)相互配合约束光学载荷(1)绕X轴的旋转自由度。
2.根据权利要求1所述的空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：在XYZ坐标系中，将固定支撑腿(2)轴向中心坐标定义为(0，0，z)，则柔性支撑腿(3)的轴向中心坐标为(x，0，z)，细颈支撑腿(4)的轴向中心坐标为(0，y，z)。
3.根据权利要求2所述的空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：固定支撑腿(2)、柔性支撑腿(3)及细颈支撑腿(4)均采用钛合金材料制作。
4.根据权利要求3所述的空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：固定支撑腿(2)还包括位于固定支撑腿上法兰(201)与固定支撑腿下法兰(203)之间、并与固定支撑腿上法兰(201)与固定支撑腿下法兰(203)同轴的正交十字交叉筋(202)。
5.根据权利要求4所述的空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：正交十字交叉筋(202)中筋板的宽度与固定支撑腿上法兰(201)直径相等，小于固定支撑腿下法兰(203)直径；定义筋板的长度方向为z向。
6.根据权利要求4所述的空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：柔性支撑腿(3)还包括位于柔性支撑腿上法兰(301)与柔性支撑腿下法兰(303)之间的一字柔片(302)。
7.根据权利要求6所述的空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：一字柔片(302)的宽度与柔性支撑腿上法兰(301)直径相等，小于柔性支撑腿下法兰(303)直径；定义一字柔片(302)的长度方向为z向。
8.根据权利要求6所述的空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：细颈支撑腿(4)还包括位于细颈支撑腿上法兰(401)与细颈支撑腿下法兰(403)之间、并与细颈支撑腿上法兰(401)与细颈支撑腿下法兰(403)同轴的细颈柔性结构(402)，细颈柔性结构(402)为圆柱体，径向尺寸远小于细颈支撑腿上法兰(401)与细颈支撑腿下法兰(403)的直径。
9.根据权利要求8所述的空间光学载荷的运动学支撑结构，其特征在于：固定支撑腿上法兰(201)、柔性支撑腿上法兰(301)和细颈支撑腿上法兰(401)均通过载荷连接螺钉(5)与光学载荷(1)固定；固定支撑腿下法兰(203)、柔性支撑腿下法兰(303)和细颈支撑腿下法兰(403)均通过平台连接螺钉(6)与外部卫星平台承力板固定；
固定后，正交十字交叉筋(202)两个筋板的宽度方向分别与XY向平行，且正交十字交叉筋(202)的其中一个筋板与一字柔片(302)相互平行。
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