CN112394597B - 一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构 - Google Patents

一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构 Download PDF

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Abstract

本发明为一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，包括镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)、以及焦平面框(5)。焦平面框(5)是相机焦平面组件的主承力结构，用于安装相机成像探测器、焦面电路板以及焦面热控组件等，采用陶瓷基碳纤维复合材料整体成型而成。树脂基碳纤维复合材料具有较低的热膨胀系数，同时具有较好的刚度及阻尼特性，可显著提高光机结构的力学性能及热稳定性。陶瓷基复合材料同样具有较低的热膨胀系数，同时具有较高刚度、高热导率等特点更加实用于具有较大内热源的焦面组件的散热，结合热管等散热设计可以实现焦面组件较高的控温精度，从而保证空间光学遥感相机成像几何稳定性。

Description

一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构
技术领域
本发明属于空间光学遥感技术领域，涉及一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构。
背景技术
随着幅宽、分辨率等指标的大幅提升，空间光学遥感相机结构尺寸显著增加，在轨热变形对相机几何定位精度乃至成像质量均会产生一定影响。为此提高相机热控精度和采用新型高性能材料研制高稳定性光机结构是保证大口径空间光学遥感相机几何稳定性的两个主要途径。目前空间遥感相机热控精度已经能够实现镜头±1℃甚至更高的精度，进一步提高控温精度将使卫星付出较大的功耗等资源代价，为此从光机结构优化设计以及新型高性能材料选用成为主要研究方向；
树脂基碳纤维复合材料具有密度小、低线膨胀系数、高刚度、高强度等特点，是较理想的空间光学结构设计材料。但该材料属于非金属材料，真空中存在释放可凝性挥发物以及树脂吸湿后发生膨胀变形及机械性能不稳定问题，另外材料的各向异性特性使其在结构件设计过程更加复杂。上述问题一定程度的限制了其在空间光学遥感相机中的大量应用，主要作为一些简单的杆件、筒式结构的部件材料。随着复合材料加工技术和仿真设计手段的不断进步，上述问题逐步得到解决，为期在空间光学相机结构上的广泛应用奠定了技术基础。
陶瓷基碳纤维复合材料是近十年来发展起来的新型高性能碳纤维复合材料，不仅解决了树脂基碳纤维复合材料的真空挥发以及吸湿膨胀的问题，并且材料刚度、强度、导热系数等综合性能大幅提升，国内多个空间遥感相机的光机部件设计中被选用。但由于其制造工艺复杂、成品率低、成本高，一定程度上限制了其广泛应用，主要用于一些关键承力结构件。
发明内容
本发明解决的技术问题：克服现有技术不足，提出一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，基于改进型树脂基碳纤维复合材料对真空挥发特性和吸湿膨胀特性的显著改进，给出了一种结合选用树脂基和陶瓷基碳纤维复合材料的全碳纤维光机结构设计方案，该方案具有重量轻、刚度高，显著提高相机在轨稳定性。
本发明的具体技术方案如下：一种全碳纤维高稳定性的空间相机光机结构，其特征在于包括：镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)以及焦平面框(5)；
镜头主框架(1)，为筒式框架，侧面设有入光口，一三镜支撑背板(2)安装在镜头主框架(1)底部，四镜框(3)安装在镜头主框架(1)的顶部，光阑(4)安装于镜头主框架(1)内，朝向入光口；
焦平面框(5)安装在一三镜支撑背板(2)；
镜头主框架(1)，作为空间相机的主承力结构；一三镜支撑背板(2)用于安装相机的两个反射镜组件及焦平面框；
四镜框(3)，用于安装相机四镜；
光阑(4)表面喷涂消杂光黑漆，抑制进入空间相机的杂光。
焦平面框(5)，用于为相机探测器组件、焦面电路组件以及热控组件提供固定安装接口。
优选的，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)通过螺接或者铆接的形式组装为一个整体成为相机镜头光学组件的主承力结构，用于为各反射镜组件提供稳定的结构支撑，并提供相机与卫星之间的安装接口，确保在实验室光学装调及在轨成像状态具有良好的结构稳定性；
一三镜支撑背板(2)为一镜(21)、三镜(22)以及焦平面框(5)提供支撑。一镜和三镜的支撑结构通过法兰盘(23)固定在一三镜支撑背板(2)上，二者之间设计有厚度可调整的调整垫片(24)，可以在反射镜装调过程中通过修配调整垫片(24)的厚度实现调整反射镜的轴向位置和角度。四镜(31)以相同的固定方式通过三点安装在四镜框(3)上，二镜(12)通过二镜框(11)安装于主框架(1)上。
优选的，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)选用树脂基碳纤维复合材料。采用碳纤维缠绕一体成型技术，根据结构件力学特性需求选取具有较高弹性模量的M55纤维牌号，根据光学镜头轴向长度尺寸稳定性公差要求及光学镜头结构控温水平进行纤维铺层设计，确保最终结构件线膨胀系数满足如下公式要求：
Figure GDA0003410471770000031
式中：
ρ镜头结构-树脂基碳纤维复合材料热膨胀系数；
L镜头-光学镜头轴向长度尺寸；
ΔL镜头-光学镜头轴向长度尺寸稳定性允许变化量；
Δt-光学镜头工作期间温度变化范围；
优选的，光阑板(4)的首要作用是抑制相机系统杂光，其表面喷涂消杂光黑漆；通过光阑板(4)确保没有视场外的非成像光可以到达镜头的成像光出光口，起到很好的消杂光作用。另外，本设计将光阑板(4)的结构增加了加强筋，将光阑板(4)厚度增加到3mm，并四周通过铆钉与主框架(1)可靠连接，这样其在主框架(1)中间起到对主框架(1)结构的加强作用，显著提高镜头主框架(1)的结构刚度。
优选的，镜头主框架(1)与一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、之间螺纹连接以及具有配合精度要求的一三镜支撑背板(2)与法兰盘(23)机械接口通过在碳纤维复合材料中预埋钛合金、铝合金或者各型号钢制预埋件实现，通过对预埋件结构进行翻边设计，并在金属结构件与复合材料结构之间进行胶接处理，确保两者之间可靠连接，不松动，如附图4所示；
优选的，焦平面框(5)选用陶瓷基碳纤维复合材料。采用碳纤维三维编织成预置体然后通过反应烧结成型。
优选的，焦平面框(5)采用陶瓷基碳纤维复合材料，为相机探测器组件、焦面电路组件以及热控组件提供固定安装接口，确保相机成像期间焦面组件在给定的温度变化范围内，焦平面框长度方向的总变形量不超过一定的值；以确保光学成像的几何精度。根据上述设计需要按照如下公式确定陶瓷基碳纤维复合材料的热膨胀系数要求：
Figure GDA0003410471770000041
式中：
ρ焦平面框-焦平面框碳碳化硅材料热膨胀系数；
L线阵-焦平面成像线阵长度；
ΔL线阵-焦平面成像线阵长度允许变化量；
Δt-焦平面结构框工作期间温度变化范围。
焦平面框(5)研制时，通过碳纤维铺层设计以及调整碳化硅体积分数来实现所需要的线膨胀系数。
优选的，镜头光学腔体内部的复合材料结构件表面喷涂消杂光黑漆以抑制系统杂光。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明采用具有相同线膨胀系数不同基体的碳纤维复合材料作为相机光机结构材料，使相机整体材料热膨胀一致性较好，且处于较低的水平，更有利于保证在轨热交变载荷下结构的稳定性，从而保证相机成像及几何定位精度的稳定性。
(2)本发明综合树脂基碳纤维复合材料和陶瓷基碳纤维复合材料的优点，以相对较低的成本实现了高性能的相机光机结构设计。
(3)焦平面框采用的陶瓷基碳纤维复合材料具有优良的导热特性，更有利于焦面组件电子学发热组件的散热设计。
附图说明
附图1全碳纤维相机光机主体结构模型图；
附图2全碳纤维相机光机组成模型图
附图3光阑板消杂光结构示意图
附图4金属预埋件结构示意图
附图5焦平面框结构模型图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明为一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，包括镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)、以及焦平面框(5)。其中镜头主框架、一三镜支撑背板、四镜框、光阑均采用树脂基碳纤维复合材料，单个零件加工完成后通过螺纹连接或铆钉连接的方式组合装配成镜头的光机承力结构，用于支撑各反射镜组件和焦平面组件，并提供相机与卫星的安装接口。焦平面框(5)是相机焦平面组件的主承力结构，用于安装相机成像探测器、焦面电路板以及焦面热控组件等，采用陶瓷基碳纤维复合材料整体成型而成。树脂基碳纤维复合材料具有较低的热膨胀系数，同时具有较好的刚度及阻尼特性，可显著提高光机结构的力学性能及热稳定性。陶瓷基复合材料同样具有较低的热膨胀系数，同时具有较高刚度、高热导率等特点更加实用于具有较大内热源的焦面组件的散热，结合热管等散热设计可以实现焦面组件较高的控温精度，从而保证空间光学遥感相机成像几何稳定性。
本发明一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，包括镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)以及焦平面框(5)。
上述技术方案中，主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)采用树脂基碳纤维复合材料，单独制备成型后通过螺纹连接及铆钉连接组合成镜头光机承力结构；
上述技术方案中，树脂基碳纤维复合材料结构件采用碳纤维缠绕一体成型，纤维选取根据结构件力学特性需求选取M55纤维牌号以及纤维铺层方式；
上述技术方案中，需要根据光学镜头长度尺寸稳定性公差要求及光学镜头结构控温水平进行纤维铺层设计，确保最终结构件线膨胀系数满足如下公式要求：
Figure GDA0003410471770000071
式中：
ρ镜头结构-树脂基碳纤维复合材料热膨胀系数；
L镜头-光学镜头轴向长度尺寸；
ΔL镜头-光学镜头轴向长度尺寸稳定性允许变化量；
Δt-光学镜头工作期间温度变化范围；
上述技术方案中，光阑板(4)根据消杂光设计形状及位置安装于镜头主框架内部，有效抑制进入相机的杂光，同时通过对光阑板结构的加强设计，使其能够对镜头整体结构起到加强作用，显著提高结构刚度；
上述技术方案中，焦平面框(5)采用新型碳碳化硅材料整体制备成型，作为焦面探测器组件以及焦面电路组件的承力结构，具有低膨胀、高刚度、高强度、高导热等优点；
上述技术方案中，焦平面框(5)采用碳纤维三维编织成预置体然后通过反应烧结成型；
优选方案为：根据焦平面框(5)的稳定性设计要求，按照如下公式确定陶瓷基碳纤维复合材料的热膨胀系数：
Figure GDA0003410471770000081
式中：
ρ焦平面框-焦平面框碳碳化硅材料热膨胀系数；
L线阵-焦平面成像线阵长度；
ΔL线阵-焦平面成像线阵长度允许变化量；
Δt-焦平面结构框工作期间温度变化范围。
焦平面框(5)研制时，可以通过碳纤维铺层设计以及调整碳化硅体积分数来实现所需要的线膨胀系数。
上述技术方案中，复合材料零件之间的螺纹连接通过在碳纤维复合材料中预埋钛合金、铝合金以及不锈钢预埋件实现，保证连接刚度和强度；
上述技术方案中，相机光学腔体内部的复合材料结构件表面喷涂消光黑漆以抑制系统杂光；
优选方案为：如附图2所示，本案例所述空间相机由光学部件、光机结构、探测器组件、焦面电路组件以及热控组件组成，光学部件主要包括一镜、二镜、三镜、四镜四个反射镜组件，是相机的光学成像元件。成像光通过入光口进入相机，经过一镜、二镜、三镜、四镜反射汇聚后，在焦面成像探测器上成像，成像探测器将光信号转变为电信号，经过焦面电路的处理形成数字图像数据，热控组件安装于焦平面框上，它的功能是对成像探测器组件以及焦面电路组件进行温度控制，使其工作在要求的温度环境范围内。
相机成像期间如果光机结构由于热的影响产生变形，将导致相机各光学部件之间的位置和角度关系发生变化，这将导致的成像质量发生变化，对于成像质量要求高的空间相机，需要保证相机的光机结构变形在微米级水平，对于达到米级长度的空间相机来说，具有较高的实现难度。本发明根据相机不同部件的设计需求选用树脂基碳纤维复合材料和陶瓷基碳纤维复合材料作为相机的主要承力结构，两种材料具有较低且一致的热膨胀系数，同时具有优异的刚度和强度性能，从而保证了相机具有较高的稳定性。
优选方案为：如图2所示，(1)为镜头主框架、(11)为二镜框、(12)为二镜、(2)为一三镜支撑背板、(21)为主镜、(22)为三镜、(23)为法兰盘、(24)为调整垫片、(3)为四镜框、(4)为光阑板、(5)为焦平面框。
如图3所示，成像光出光口位于一三镜支撑背板的中间位置，也是焦平面框的安装位置。成像光从此出口照射到成像探测器上。
优选方案为：如图4所示，在碳纤维复合材料编织成型过程，金属预埋件嵌入安装在碳纤维复合材料中，通过预埋件的翻边设计，结合胶接工艺，使其牢固结合为一体。
优选方案为：如图5所示，为焦平面框，探测器组件安装于焦平面框的腔体内部，焦面电路组件安装于焦平面框的外部，上面还留有热控组件的安装接口。
优选方案为：本发明的技术方案如附图1所示，一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，包括采用树脂基碳纤维复合材料的镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)以及采用陶瓷基碳纤维复合材料的焦平面框(5)。其中主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)组合装配成镜头的光机承力结构，用于支撑各反射镜组件和焦面组件，并提供相机与卫星的安装接口，光阑板(4)为根据相机杂光抑制设计确定的形状和位置安装于镜头主框架(1)内部，同时相机光学腔体内部的复合材料结构件表面喷涂消光黑漆以抑制系统杂光。焦平面框(5)用于安装相机成像探测器、焦面电路板以及焦面热控组件等。
优选方案为：一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其中镜头光机结构主要包括，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)选用树脂基碳纤维复合材料。采用碳纤维缠绕一体成型技术，根据结构件力学特性需求选取具有较高弹性模量的M55纤维牌号，根据光学镜头轴向长度尺寸热稳定性要求及光学镜头结构控温水平进行纤维铺层设计，确保最终结构件线膨胀系数优选优选满足如下公式要求：
Figure GDA0003410471770000101
式中：
ρ树脂基碳纤维-树脂基碳纤维复合材料热膨胀系数；
L镜头-光学镜头轴向长度尺寸，优选为2300mm；
ΔL镜头-光学镜头轴向长度尺寸稳定性允许变化量，优选为不大于6μm；
Δt-光学镜头工作期间温度变化范围，优选为不超过2℃；
通过计算，得到本案例要求树脂基碳纤维复合材料的热膨胀系数不小于1.3×10-6。
焦平面框(5)设计时，根据焦面组件热稳定性要求，按照如下公式确定陶瓷基碳纤维复合材料的热膨胀系数要求：
Figure GDA0003410471770000111
式中：
ρ焦平面框-焦平面框碳碳化硅材料热膨胀系数；
L线阵-焦平面成像线阵长度，优选为500mm
ΔL线阵-焦平面成像线阵长度允许变化量，优选为不大于1.5μm；
Δt-焦平面结构框工作期间温度变化范围，优选为不超过2℃；
通过计算，本案例要求陶瓷基碳纤维复合材料的热膨胀系数优选不小于1.5×10-6。
根据上述设计完成了一台空间光学遥感相机的设计及研制，优选1m口径、2300轴向长度的光机结构重量280公斤，通过实验室状态下相机0°状态和180°状态成像性能测试以及相机热真空试验期间的成像性能测试，均具有良好且稳定的成像质量，如表1所示；
表1各视场对应的相机各阶段MTF测试结果
Figure GDA0003410471770000112
本发明综合树脂基碳纤维复合材料和陶瓷基碳纤维复合材料的优点，以相对较低的成本实现了高性能的相机光机结构设计；焦平面框采用的陶瓷基碳纤维复合材料具有优良的导热特性，更有利于焦面组件电子学发热组件的散热设计。
本发明采用具有相同线膨胀系数不同基体的碳纤维复合材料作为相机光机结构材料，使相机整体材料热膨胀一致性较好，且处于较低的水平，更有利于保证在轨热交变载荷下结构的稳定性，从而保证相机成像及几何定位精度的稳定性。
以上所描述的实施方式，只是为了介绍技术方案所作的举例说明，但本发明并不仅限于上述举例中的限定。其他显而易见由本发明衍生出的设计实例仍在本发明的保护范围内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种全碳纤维高稳定性的空间相机光机结构，其特征在于包括：镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)以及焦平面框(5)；
镜头主框架(1)，为筒式框架，侧面设有入光口，一三镜支撑背板(2)安装在镜头主框架(1)底部，四镜框(3)安装在镜头主框架(1)的顶部，光阑(4)安装于镜头主框架(1)内，朝向入光口；
焦平面框(5)安装在一三镜支撑背板(2)；
镜头主框架(1)，作为空间相机的主承力结构；一三镜支撑背板(2)用于安装相机的两个反射镜组件及焦平面框；
四镜框(3)，用于安装相机四镜；
光阑(4)表面喷涂消杂光黑漆，抑制进入空间相机的杂光；
焦平面框(5)，用于为相机探测器组件、焦面电路组件以及热控组件提供固定安装接口；
镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)选用树脂基碳纤维复合材料；根据光学镜头轴向长度尺寸稳定性公差要求及光学镜头结构控温水平进行纤维铺层设计，确保最终结构件线膨胀系数满足如下公式要求：
Figure FDA0003410471760000011
式中：
ρ镜头结构-树脂基碳纤维复合材料热膨胀系数；
L镜头-光学镜头轴向长度尺寸；
ΔL镜头-光学镜头轴向长度尺寸稳定性允许变化量；
Δt-光学镜头工作期间温度变化范围。
2.根据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)通过螺接或者铆接的形式组装为一个整体成为相机镜头光学组件的主承力结构，用于为各反射镜组件提供稳定的结构支撑，并提供相机与卫星之间的安装接口，确保在实验室光学装调及在轨成像状态具有良好的结构稳定性；
一三镜支撑背板(2)为一镜(21)、三镜(22)以及焦平面框(5)提供支撑；一镜和三镜的支撑结构通过法兰盘(23)固定在一三镜支撑背板(2)上，二者之间设计有厚度可调整的调整垫片(24)，可以在反射镜装调过程中通过修配调整垫片(24)的厚度实现调整反射镜的轴向位置和角度；四镜(31)以相同的固定方式通过三点安装在四镜框(3)上，二镜(12)通过二镜框(11)安装于镜头 主框架(1)上。
3.根据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)采用碳纤维缠绕一体成型方式，根据结构件力学特性需求选取具有较高弹性模量的M55纤维牌号。
4.根据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，光阑(4)的首要作用是抑制相机系统杂光，其表面喷涂消杂光黑漆；通过光阑(4)确保没有视场外的非成像光可以到达镜头的成像光出光口，起到很好的消杂光作用；另外，本设计将光阑(4)的结构增加了加强筋，将光阑(4)厚度增加到3mm，并四周通过铆钉与镜头 主框架(1)可靠连接，这样其在镜头 主框架(1)中间起到对镜头 主框架(1)结构的加强作用，显著提高镜头主框架(1)的结构刚度。
5.根据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，镜头主框架(1)与一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、之间螺纹连接以及具有配合精度要求的一三镜支撑背板(2)与法兰盘(23)机械接口通过在碳纤维复合材料中预埋钛合金、铝合金或者各型号钢制预埋件实现，通过对预埋件结构进行翻边设计，并在金属结构件与复合材料结构之间进行胶接处理，确保两者之间可靠连接，不松动。
6.据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，焦平面框(5)选用陶瓷基碳纤维复合材料；采用碳纤维三维编织成预置体然后通过反应烧结成型。
7.根据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，焦平面框(5)采用陶瓷基碳纤维复合材料，为相机探测器组件、焦面电路组件以及热控组件提供固定安装接口，确保相机成像期间焦面组件在给定的温度变化范围内，焦平面框长度方向的总变形量不超过一定的值；以确保光学成像的几何精度；需要按照如下公式确定陶瓷基碳纤维复合材料的热膨胀系数要求：
Figure FDA0003410471760000041
式中：
ρ焦平面框-焦平面框碳化硅材料热膨胀系数；
L线阵-焦平面成像线阵长度；
ΔL线阵-焦平面成像线阵长度允许变化量；
Δt-焦平面结构框工作期间温度变化范围；
焦平面框(5)研制时，通过碳纤维铺层设计以及调整碳化硅体积分数来实现所需要的线膨胀系数。
8.据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，镜头光学腔体内部的复合材料结构件表面喷涂消杂光黑漆以抑制系统杂光。
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