CN112130278A - 适用于高分辨空间相机的次镜支撑结构 - Google Patents
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Abstract
适用于高分辨空间相机的次镜支撑结构,涉及空间光学遥感技术领域,解决现有支撑结构通过多种转接件进行逐个装配,装配工艺复杂且周期较长以及精度低等问题,包括一体式支撑架由上至下依次包括顶部连接架、刚架杆、三角支撑结构和承力筒结构;所述顶部连接架用于固定遮光罩安装座和次镜安装座;刚架杆由三向一字型梁呈120°分布,刚架杆与承力筒结构通过三角支撑结构连接;承力筒结构由上至下依次由顶环、中环、光阑和底部法兰组成;承力筒结构内部设置主加强筋、副加强筋和侧加强筋;光阑位于主镜前方,底部法兰用于安装底部安装座。本发明相对于日字型梁、口字型梁和工字型梁而言可降低对光线的遮拦,有利于高分辨成像。
Description
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高分辨率空间相机的次镜支撑结构。
背景技术
同轴式光学系统被广泛的应用于高分辨率空间相机,对于这种光学系统的相机,需要次镜支撑结构用于固定次镜并保持其空间位置。相对一般用途空间相机而言,高分辨率空间相机具有较长的焦距,这一般会造成次镜与主镜的间距较长,并且高分辨率空间相机具有极为严苛的主次镜相对位置精度要求。同时,次镜支撑结构作为空间相机中跨度最大的组件,其往往决定着整机的基频。因此,次镜支撑结构成为了研制高分辨率空间相机的关键技术之一。
一方面,在地面装调及测试状态下次镜支撑结构受到重力载荷作用,当空间相机进入微重力环境后,重力作用下的次镜支撑结构的变形会发生回弹,从而造成主次镜间相对位置关系发生变化。另一方面,空间相机的在轨工作温度难以绝对精确的控制在一个数值上,这个温度往往是随时间变化而小范围波动的,主次支撑结构沿光轴方向的尺寸会随着温度的波动而发生膨胀和收缩,进而使得空间相机焦距发生变化。另外,次镜支撑结构位于空间相机孔径光阑前方,这样势必会遮挡部分光线的进入,过大的遮挡会造成空间相机光学传递函数的下降。因此,高分辨率空间相机为了达到目标成像质量要求,应采用高刚度、高稳定性、低遮拦且轻质的次镜支撑结构。
与本发明最为接近的已有技术是发明专利《一种空间光学遥感相机的次镜支撑结构》(申请号:201810318029.2)。该结构法兰的一面均匀设置多个法兰凸台,在同一面的边缘均匀设置多个法兰嵌入接头,析架杆的横截面形状为日字型,析架杆的一端通过析架杆嵌入接头与析架筒座的顶部连接,另一端通过法兰嵌入接头与法兰连接,多个预埋件固定在桁架筒座的底部桁架筒座内部的环形加强筋。
该柔性支撑结构的缺点在于:
a)主体结构为分体式,需要通过多种转接件进行逐个装配,装配工艺复杂且周期较长。在装配过程中,各零件的位置精度难以保证,次镜调整量小,可能出现拆卸重新装配的情况。另外,装配结构更容易形成内部装配应力,造成整体结构的不稳定,难以应用于高分辨空间相机中。
b)没有解决次镜支撑结构在温度波动下沿光轴尺寸变化问题,会使空间相机的焦距工作过程中产生变化,影响成像质量。
c)所采用的日字型截面的桁架杆会在孔径光阑上形成较大的遮拦,不利于高分辨率成像。
d)该结构主次镜间倾角差仅优于20秒,证明其刚度不满足高分辨率空间相机光学系统的指标要求。
发明内容
本发明为解决现有支撑结构通过多种转接件进行逐个装配,装配工艺复杂且周期较长以及精度低,同时,导致结构内部形成装配应力造成整体结构的不稳定,导致难以应用于高分辨空间相机等问题,提供一种适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构。
适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,包括一体式支撑架、遮光罩安装座、次镜安装座和底部安装座;
所述一体式支撑架由上至下依次包括顶部连接架、刚架杆、三角支撑结构和承力筒结构;所述顶部连接架用于固定遮光罩安装座和次镜安装座;
所述刚架杆由三向一字型梁呈120°分布,刚架杆与承力筒结构通过三角支撑结构连接;
所述承力筒结构由上至下依次由顶环、中环、光阑和底部法兰组成;所述承力筒结构内部设置主加强筋、副加强筋和侧加强筋;所述光阑1043位于主镜前方,底部法兰用于安装底部安装座。
本发明的有益效果:本发明所述的次镜支撑结构,满足了高分辨空间相机对次镜支撑结构高刚度、高稳定性、低遮拦且轻质的需求。
本发明的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,除必要的安装座外,主体结构一体式支撑架采用碳纤维复合材料一体制造成型,能够极大限度的保证次镜支撑结构的稳定性,降低了额外的装配应力,避免了拆卸重新装配的风险。
本发明的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,主体结构一体式支撑架所采用的碳纤维复合材料具有比刚度大和铺层设计灵活等优点,可以通过对一体式支撑架的碳纤维的铺层方式进行合理的设计实现次镜支撑结构的高刚度和高稳定的要求。
本发明刚架杆的截面形式为一字型梁,相对于日字型梁、口字型梁和工字型梁而言可降低对光线的遮拦,有利于高分辨成像。
本发明的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,在最大程度轻量化设计的同时,通过对一体式支撑架的优化设计,保证了基频和主次镜间相对位置精度,能够充分满足高分辨空间相机的各项指标要求。其中,主次镜间倾角差优于4秒,在±0.5℃温度波动条件下主次镜间距变化优于1μm;整体结构基频优于105Hz,高于对指标要求的100Hz。
附图说明
图1为本发明所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构正视轴侧示意图;
图2为本发明所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构后视轴侧示意图;
图3为本发明所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构孔径光阑遮挡示意图;
图4为本发明所述的适用于高分辨率空间相机的一体式支撑架内部结构示意图;
图5为本发明所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构部分爆炸图示意图;
图6为本发明的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构底部安装座装配示意图;
图中:1、一体式支撑架,2、遮光罩安装座,3、次镜安装座,4、底部安装座,5、孔径光阑;101、顶部连接架结构,102、刚架杆,103、三角支撑结构,104、承力筒结构;301、三角架,302、次镜安装面;401、底部安装面,402、外螺纹,403、内螺纹,404、垫片,405、螺母;1031、斜加强筋,1032、三角蒙皮;1041、顶环,1042、中环,1043、光阑,1044、底部法兰,1045、主加强筋,1046、副加强筋,1047、侧加强筋,1048、承力筒蒙皮。
具体实施方式
结合图1至图6说明本实施方式,适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,包括一体式支撑架1、遮光罩安装座2、次镜安装座3和底部安装座4。
所述一体式支撑架1自上而下由顶部连接架结构101、刚架杆102和承力筒结构103组成;顶部连接架101上留有通孔用于固定遮光罩安装座2和次镜安装座3。
结合图3说明本实施方式,所述刚架杆102是由三向一字型梁呈120°均布的,相对于其他梁的截面结构,一字型梁结构在同等刚度下对孔径光阑5的遮挡最小;刚架杆102与承力筒结构104直接相连接,二者的连接部分由三角支撑结构103加强。所述三角支撑结构103包括:斜加强筋1031和三角蒙皮1032。
结合图4说明本实施方式,所述承力筒结构内部具有对称分布的15根加强筋;所述承力筒结构104具体由顶环1041、中环1042、光阑1043、底部法兰1044、主加强筋1045、副加强筋1046、侧加强筋1047和承力筒蒙皮1048组成。其中,顶环1041、中环1042、光阑1043、底部法兰1044、主加强筋1045、副加强筋1046和侧加强筋1047均和承力筒蒙皮1048均为碳纤维材料且均为连续的连接关系;顶环1041、中环1042、光阑1043、底部法兰1044四者和主加强筋1045、副加强筋1046、侧加强筋1047三者相互具有交叉关系,同时也具有碳纤维材料连接关系。以上各部分均对承力筒的刚度起到加强作用。特别的,所述光阑1043位于主镜前方,具有消杂散光作用;底部法兰1044用于安装底部安装座4。
本实施方式中,所述一体式支撑架1由碳纤维复合材料采用一体成型工艺制造,一体成型可以保证结构无额外的装配应力。采用M40高性能碳纤维作为基底材料。所述顶部连接架101、刚架杆102、三角支撑结构103和承力筒结构104均具有不同的碳纤维铺层方向、铺层顺序与铺层厚度,但是均能够通过设计使碳纤维连续铺层。
本实施方式中,通过优化铺层方向、铺层顺序与铺层厚度,可最大化一体式支撑架1的轴向刚度与轴向热膨胀系数,轴向刚度影响重力载荷下主次镜间位置精度,轴向热膨胀系数影响温度波动下主次镜间位置精度。由于高分辨空间相机光学系统限制,所述一体式支撑架1的总包络是固定的,可以调整所述刚架结构102、三角支撑结构103和承力筒结构104三者的尺寸比例控制结构基频以达到指标要求。
结合图5说明本实施方式,所述遮光罩安装座2通过采用胶接与螺钉连接的方式无应力的装配到顶部连接架101的顶部。采用三个遮光罩安装座以稳定的固定遮光罩。所述次镜安装座3由三角架301和次镜安装面302组成,次镜安装座3通过三角架301采用胶接与螺钉连接的方式无应力的装配到顶部连接架101的下方;次镜安装面302上加工有通孔用于连接高分辨空间相机的次镜组件。
所述遮光罩安装座2与顶部连接架结构101的装配顺序为:将遮光罩安装座2外部均匀涂抹光学环氧胶,无应力装入顶部连接架结构101中,然后通过螺钉固定并加相应预紧力固定待二者光学环氧胶充分固化完成后,整体研磨至目标平面度精度。
所述次镜安装座3与顶部连接架结构101的装配顺序为:将次镜安装座3的三角支撑结构103外部均匀涂抹光学环氧胶,无应力装入顶部连接架结构101中,然后通过螺钉固定并加相应预紧力固定,待二者光学环氧胶充分固化完成后,整体研磨至目标平面度精度。
结合图6说明本实施方式,所述底部安装座4由底部安装面401、外螺纹402、内螺纹403,垫片404和螺母405组成,其中底部安装面401、外螺纹402和内螺纹403是一体的;底部安装座4固定于所述承力筒结构104底部法兰上,其作用是充当整体结构的对外接口。
所述底部安装座4装配前效果如图6左侧底部安装座4爆炸图所示,装配后效果如图6右侧底部安装座4所示。所述底部安装座4装配顺序为:将底部安装面401上的两个外螺纹402对应承力筒结构104底部法兰通孔自下而上插入,此两个外螺纹402伸出底部法兰通孔,将两个垫片404分别自上而下穿过伸出底部法兰通孔的两个外螺纹402,然后将两个螺母405分别自上而下穿过伸出底部法兰通孔的两个外螺纹402,并加相应的预紧力固定,待二者光学环氧胶充分固化完成后,整体研磨至目标平面度精度。
本实施方式中,所述外螺纹402为底部安装座4自身包括的螺母405提供螺纹连接以固定自身;所述内螺纹403用于为空间相机基板提供螺纹连接以固定整体结构。
所述底部安装座4极其所包括的底部安装面401、外螺纹402、内螺纹403,垫片404和螺母405,可以根据整体结构的变化改变尺寸和数量。
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。
Claims (9)
1.适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,包括遮光罩安装座(2)、次镜安装座(3)和底部安装座(4);其特征是:还包括一体式支撑架(1);
所述一体式支撑架(1)由上至下依次包括顶部连接架(101)、刚架杆(102)、三角支撑结构(103)和承力筒结构(104);
所述顶部连接架(101)用于固定遮光罩安装座(2)和次镜安装座(3);
所述刚架杆(102)由三向一字型梁呈120°分布,刚架杆(102)与承力筒结构(104)通过三角支撑结构(103)连接;
所述承力筒结构(104)由上至下依次由顶环(1041)、中环(1042)、光阑(1043)和底部法兰(1044)组成;所述承力筒结构(104)内部设置主加强筋(1045)、副加强筋(1046)和侧加强筋(1047);所述光阑(1043)位于主镜前方,底部法兰(1044)用于安装底部安装座(4)。
2.根据权利要求1所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,其特征在于:所述三角支撑结构(103)由斜加强筋(1031)和三角蒙皮(1032)组成。
3.根据权利要求1所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,其特征在于:所述遮光罩安装座(2)通过胶接加螺钉连接的方式固定在顶部连接架(101)上,用于安装空间相机次镜光阑;所述次镜安装座(3)通过胶接加螺钉连接的方式固定在顶部连接架结构(101)上,用于安装空间相机次镜;所述底部安装座(4)通过螺栓连接的方式固定在底部法兰(1044)上,用于提供将整个次镜支撑结构固定在空间相机基板上的机械接口。
4.根据权利要求1所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,其特征在于:
采用M40高性能碳纤维作为基底材料,所述一体式支撑架(1)的顶部连接架(101)、刚架杆(102)、三角支撑结构(103)以及承力筒结构(104)均具有0°、45°、90°的铺层方向,铺层顺序与铺层厚度根据结构的不同具有不同的设计值,并使碳纤维连续铺层且一体化制造成型。
5.根据权利要求1所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,其特征在于:
采用三个遮光罩安装座(2)固定遮光罩,所述次镜安装座(3)由三角架(301)和次镜安装面(302)组成,次镜安装座(3)通过三角架(301)采用胶接与螺钉连接的方式无应力的装配到顶部连接架(101)的下方;次镜安装面(302)上加工有通孔用于连接高分辨空间相机的次镜组件。
6.根据权利要求1所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,其特征在于:
所述遮光罩安装座(2)的装配顺序为:将遮光罩安装座(2)外部均匀涂抹光学环氧胶,无应力装入三角支撑结构(103)中,然后通过螺钉固定并加相应预紧力固定。
7.根据权利要求1所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,其特征在于:所述次镜安装座(3)的装配顺序为:将三角架(301)外部均匀涂抹光学环氧胶,无应力装入三角支撑结构(103)中,然后通过螺钉固定并加相应预紧力固定。
8.根据权利要求1所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,其特征在于:所述底部安装座(4)由底部安装面(401)、外螺纹(402)、内螺纹(403)、垫片(404)和螺母(405)组成,所述底部安装面(401)、外螺纹(402)和内螺纹(403)为一体结构;
所述底部安装座(4)装配顺序为:将底部安装面(401)上的两个外螺纹(402)对应承力筒结构(104)底部法兰(1044)的通孔自下而上插入,两个外螺纹(402)伸出底部法兰通孔,将两个垫片(404)分别穿过伸出底部法兰通孔的两个外螺纹(402),然后将两个螺母(405)分别穿过伸出底部法兰通孔的两个外螺纹(402,并加相应的预紧力固定。
9.根据权利要求8所述的适用于高分辨率空间相机的次镜支撑结构,其特征在于:所述底部安装面(401)、外螺纹(402)、内螺纹(403)、垫片(404)和螺母(405),根据一体式支撑架(1)的变化改变尺寸和数量。
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GR01 | Patent grant | ||
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