CN114689087A - 一种高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，主要解决大视场星模拟器模拟视场受支撑架的尺寸限制，无法模拟大视场星图，以及星图模拟固定不可变更，支撑架铸造加工成本高，支撑架的热变形大，造成星模拟器标定精度低的问题。该高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架包括光管支撑架；光管支撑架主要由N个子模块桁架拼接而成，子模块桁架包括上桁架单元和M个下桁架单元，M个下桁架单元由上至下依次设置，上桁架单元设置在顶端的下桁架单元上方；该上桁架单元和M个下桁架单元上可安装多个平行光管，按照需要点亮不同的平行光管，用来模拟不同的星图，因此采用这种光管支撑架的星模拟器具有极大的灵活性和极高的定标性能。
Description
技术领域
本发明属于光学工程领域，具体涉及一种热稳定较好的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架。
背景技术
星模拟器，一般用于提供无限远点光源作为模拟星点，来模拟目标恒星的大小、星等、光谱特性等。常规星模拟器的研究主要是对其模拟精度的研究。近年来随着星敏感器技术的发展，星模拟器技术更多倾向于恒星光谱与真实星等的模拟，同时模拟精度要求越来越高，而常规的星点式星模拟器存在的模拟视场小，模拟精度低，已经不能满足实际需要，因此，启动了新型穹顶式光纤星模拟器的研制工作。首先，应用多个无穷远目标模拟天区恒星，建立天区恒星坐标系，将天球坐标系中恒星坐标转换成星模拟器坐标，实现星图的模拟。其次，通过无穷远目标的光纤式单星光管，来模拟恒星的星等和光谱特征。这些单星光管固定在光管支撑架上。而星模拟器的模拟精度主要因素之一就是星图坐标的模拟精度，也就是光管支撑架上的单星光管坐标的稳定性。
可见，作为核心部件的光管支撑架对大视场恒星模拟器的性能至关重要，直接影响大视场星模拟器性能。目前，对于大视场星模拟器的研究有较少。国内可以查询到相关类似研究的文献，只有长春理工大学黄丹飞教授发表的《大视场多星模拟器标定技术研究》，该论文论述了其核心部件的光管支撑部件设计有以下几个特点：1)采用铝材料，整体铸造加工；2)光管的安装位置是按照已知的天区某一个极小区域的星图预先设计好的，但是，该设计存在以下几个缺点：1)由于铝材料有较大热胀系数(23.6e-6/K)，热变形较大，温变敏感，造成星点坐标漂移，直接造成天区坐标与恒星模拟器坐标转换漂移，星模拟器精度明显降低；2)整体铸造加工，受限于铸造工艺设备限制，光管支撑部件尺寸偏小，不能做太大，而光管口径是一定的，这就支撑部件安装面小，可以安装的光管数量偏少，只能模拟天区中某一区域个别星等较高的恒星，对于该区域的低星等的恒星无法模拟，由于星图星点稀疏，对于高分辨率的小视场的观测设备，无法探测到足够的星点数量，无法完成光学指标标定；3)由于只能模拟指定区域的星图，无法在地面模拟设备在轨工作星图标定；4)由于支撑部件是整体铸造，加工成本高。
发明内容
为了解决大视场星模拟器模拟视场受支撑架的尺寸限制，无法模拟大视场星图，以及星图模拟固定不可变更，支撑架铸造加工成本高，支撑架的热变形大，造成星模拟器标定精度低的问题，本发明提出了一种高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，包括光管支撑架；所述光管支撑架主要由N个子模块桁架拼接而成，所述子模块桁架采用低热膨胀系数的材料制作，N≥1；所述子模块桁架包括上桁架单元和M个下桁架单元，M个下桁架单元由上至下依次设置，所述上桁架单元设置在顶端的下桁架单元上方，M≥1；所述上桁架单元包括上安装底板和上支撑组件；所述上支撑组件包括上横梁、n个上斜梁和n个上短梁；所述上横梁与上安装底板平行设置，n个上短梁的一端与上安装底板的后侧底端连接，另一端与上横梁连接；n个上斜梁的一端与上安装底板的后侧顶端连接，另一端与上横梁连接；所述下桁架单元包括下安装底板和后支撑组件；所述后支撑组件包括中间横梁、下横梁、n个中间短梁、n个下短梁、n个下斜梁和n个竖梁；所述中间横梁与下安装底板后侧顶端平行设置，且中间横梁与上横梁连接，n个中间短梁的一端与下安装底板后侧顶端连接，另一端与中间横梁连接，同时，n个中间短梁分别与n个上短梁一一对应连接；所述下横梁与下安装底板后侧底端平行设置，n个下短梁的一端与下安装底板后侧面低端连接，另一端与下横梁连接；n个竖梁的顶端分别与中间横梁连接，底端分别与下横梁连接；n个下斜梁的顶端分别与下安装底板后侧顶端连接，底端分别与下横梁连接；所述上安装底板和下安装底板通过加固梁连接，且上安装底板和下安装底板上设置有多个用于安装平行光管的光管安装孔；多个平行光管设置在光管安装孔内，点亮不同的平行光管，用来模拟不同的星图。
进一步地，最下方的下桁架单元还包括前支撑组件，所述前支撑组件包括前横梁、前斜梁和两个前短梁，所述前横梁设置在两个前短梁之间，两个前短梁的一端与前横梁连接，另一端与下安装底板的前侧面连接，所述前斜梁的一端与前短梁连接，另一端与下安装底板前侧顶端连接。
进一步地，所述光管安装孔内设置有垫片，通过调整不同垫片的厚度，使平行光管的光轴满足水平方向和竖直方向球面分布的特点，汇聚于球心。
进一步地，所述下桁架单元的底部设置有具有自锁功能的万向轮。
进一步地，所述前横梁与前短梁，前短梁与下安装底板的连接处均设置有三角形连接件。
进一步地，所述上斜梁与上安装底板的连接处、上短梁与上安装底板的连接处、上短梁与上斜梁的连接处、上短梁与上横梁的连接处均设置有三角形连接件。
进一步地，所述上横梁与上短梁之间还通过上连接梁连接。
进一步地，所述中间横梁与中间短梁之间还通过中间连接梁连接，所述下横梁与下短梁之间还通过下连接梁连接。
进一步地，所述中间横梁、下横梁、中间短梁、下短梁、下斜梁、竖梁以及下安装底板中连接处均设置有三角形连接件。
进一步地，所述子模块桁架采用铁镍合金制成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明提出了一种高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，光管支撑架上设置有多个平行光管，光管支撑架和平行光管组成了大视场星模拟器的模拟星图，按照需要点亮不同的平行光管，用来模拟不同的星图，因此采用这种光管支撑架的星模拟器具有极大的灵活性和极高的定标性能。
2.本发明光管支撑架基于模块化桁架架构设计，其采用低热膨胀系数材料制造，实现了极高的热稳定性，取得以下效果：1)采用低热膨胀系数的材料如铁镍合金材料等，安装面法线角度变化小于0.01角秒，提高了星模拟器定标性能；2)采用模块化桁架结构设计，在实现了轻量化的同时，实现了短周期装配，易装配，低成本的特点；3)可以按照实际的模拟星图要求，子模块桁架按照不同数量组合装配，模拟特定大视场星图；4)安装底板可以提供密集的光管安装位置，按照需要点亮需要的光管，可以模拟不同的星图。
附图说明
图1为本发明高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架的结构示意图；
图2为本发明子模块桁架的结构示意图一；
图3为本发明子模块桁架的结构示意图二；
图4为本发明子模块桁架为2层桁架三角形支撑结构形式示意图；
图5为本发明光管支撑架轮廓尺寸示意图；
图6为本发明平行光管安装示意图；
图7为本发明模拟星图在竖直方向两相邻单星光管夹角分布图；
图8为本发明模拟星图水平两相邻单星光管夹角分布图；
图9为本发明平行光管的光轴汇聚示意图。
附图标记：1-子模块桁架，2-平行光管，3-上桁架单元，4-下桁架单元，5-光管安装孔，6-加固梁，7-三角形连接件，31-上安装底板，32-上支撑组件，321-上横梁，322-上斜梁，323-上短梁，324-上连接梁，41-下安装底板，42-后支撑组件，43-前支撑组件，421-中间横梁，422-下横梁，423-中间短梁，424-下短梁，425-下斜梁，426-竖梁，427-中间连接梁，428-下连接梁，431-前横梁，432-前短梁，433-前斜梁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架包括光管支撑架，光管支撑架上设置有多个平行光管2；光管支撑架主要由N个子模块桁架1拼接而成，子模块桁架1采用低热膨胀系数的材料制作，N≥1；每个子模块桁架1包括上桁架单元3和M个下桁架单元4，M个下桁架单元4由上至下依次设置，上桁架单元3设置在顶端的下桁架单元4上方；上桁架单元3和M个下桁架单元4之间通过螺栓等方式连接，形成一个整体的子模块桁架1，下桁架单元4的数量具体按照子模块桁架1的高度，根据实际加工能力合理分解。该上桁架单元3和M个下桁架单元4上可安装多个平行光管2，按照需要点亮不同的平行光管2，用来模拟不同的星图，因此采用这种光管支撑架的星模拟器具有极大的灵活性和极高的定标性能。
如图2和图3所示，本发明子模块桁架1包括上桁架单元3和下桁架单元4；上桁架单元3包括上安装底板31和上支撑组件32；上支撑组件32包括上横梁321、n个上斜梁322和n个上短梁323；上横梁321与上安装底板31平行设置，n个上短梁323的一端与上安装底板31的后侧底端连接，另一端与上横梁321连接；n个上斜梁322的一端与上安装底板31的后侧顶端连接，另一端与上横梁321连接；下桁架单元4包括下安装底板41和后支撑组件42；后支撑组件42包括中间横梁421、下横梁422、n个中间短梁423、n个下短梁424、n个下斜梁425和n个竖梁426；中间横梁421与下安装底板41后侧顶端平行设置，且中间横梁421与上横梁321连接，n个中间短梁423的一端与下安装底板41后侧顶端连接，另一端与中间横梁421连接，同时，n个中间短梁423分别与n个上短梁323一一对应连接；下横梁422与下安装底板41后侧底端平行设置，n个下短梁424的一端与下安装底板41后侧面低端连接，另一端与下横梁422连接；n个竖梁426的顶端分别与中间横梁421连接，底端分别与下横梁422连接；n个下斜梁425的顶端分别与下安装底板41后侧顶端连接，底端分别与下横梁422连接；为使得子模块桁架1的支撑更加稳固，上安装底板31和下安装底板41通过加固梁6连接，且上安装底板31和下安装底板41上设置有多个用于安装平行光管2的光管安装孔5。
上述下桁架单元4的底部设置有具有自锁功能的万向轮。同时，光管安装孔5内设置有垫片，通过调整不同垫片的厚度，使平行光管2的光轴满足水平方向和竖直方向球面分布的特点，汇聚于球心。
为使得支撑架的支撑更加稳定，最下方的下桁架单元4还包括前支撑组件43，前支撑组件43包括前横梁431、前斜梁433和两个前短梁432，前横梁431设置在两个前短梁432之间，两个前短梁432的一端与前横梁431连接，另一端与下安装底板41的前侧面连接，前斜梁433的一端与前短梁432连接，另一端与下安装底板41前侧顶端连接。同时，上述前横梁431与前短梁432，前短梁432与下安装底板41的连接处均设置有三角形连接件7。上斜梁322与上安装底板31的连接处、上短梁323与上安装底板31的连接处、上短梁323与上斜梁322的连接处、上短梁323与上横梁321的连接处均设置有三角形连接件7。上横梁321与上短梁323之间还通过上连接梁324连接。中间横梁421与中间短梁423之间还通过中间连接梁427连接，下横梁422与下短梁424之间还通过下连接梁428连接。中间横梁421、下横梁422、中间短梁423、下短梁424、下斜梁425、竖梁426以及下安装底板41中连接处均设置有三角形连接件7。上安装底板31和下安装底板41的后侧面还设置有支撑梁。
如图4和图5所示，本发明光管支撑架采用桁架结构形式，可以根据需求，由若干子模块桁架1拼接而成，具有较高的组装灵活性；子模块桁架1可以很方便的做出较大尺寸的光管支撑架，提供较多的光管安装位置，可以一次性模拟较大区域恒星星图，尤其是大视场观测设备的标定应用。后期也可以按照标定需求，点亮不同位置的平行光管2，这样在地面就可以模拟出不同天区的星图。同时，整个光管支撑架采用低热膨胀系数的材料，如殷钢或者其他低热膨胀系数材料，具有稳定的热学性能，对天区坐标转换成模拟器坐标时不引入漂移误差，使得星模拟器实现极高的定标性能。
如图6所示，上安装底板31和下安装底板41提供高密度的光管安装孔5，平行光管2通过垫片精密调整汇聚球心，通过螺钉固定在上安装底板31和下安装底板41上；光管支撑架安装的平行光管2按照需要点亮，用来模拟不同的星图，因此采用这种光管支撑架的星模拟器具有极大的灵活性和极高的定标性能。
以视场20°×50°大星模拟器的光管支撑架设计举例，20°×50°视场内，汇聚球心半径为6.5米，光管支撑水平跨度5.494米，高2.257米，选用铸造工艺，难以加工成型，即使铸造加工成型，加工周期和加工成本极高。此时，光管支撑架选用按照桁架式结构设计，由桁架拼接构成，方便灵活。
20°×50°视场内，汇聚球心6.5米，整体光管支撑架尺寸较大，杆件太多，装调复杂整体。考虑模块化设计思路，将整体的桁架拆分成6个子模块桁架1，每一个子模块桁架1先单独完成装调，然后按照需求，直接组装成需要的光管支撑架；各个子模块桁架1底部带有自锁功能的万向轮，可以按照互相位置关系方便调整，单个子模块桁架1可以分为2个子桁架小模块构成，即一个上桁架单元3和一个下桁架单元4，二者之间通过螺栓连接，按照实际加工设备的加工能力确定子构件零件的加工尺寸大小，单个上桁架单元3和下桁架单元4之间的构成三角形支撑。
如图7和图8所示，平行光管2安装是通过垫片调整光轴指向的，通过调整不同垫片的厚度，使其光轴满足水平方向和竖直方向球面分布的特点，汇聚于球心。如图9所示，整体支撑架安装底板光管安装孔5分布图，满载安装光管的效果图，可以看出，每一个光管光轴汇聚于星模拟器坐标原点。
对桁架结构子模块热学分析，升温1℃时，最大热变形3.6504μm。由变形可知光管轴线角度最大改变量第一排处，而每排角度最大改变在两侧，因此选用第一排第六列(角度改变最大处)进行分析。定位面的直径约为142mm。单个光管轴线最大变化的角度近似为(0.00015344-0.00010913)/142，约为0.064″。对子模块桁架1完成热学分析，升温1℃时，最大热变形3.6502μm，由变形可知光管轴线角度最大改变量第一排处，而每排角度最大改变在两侧，因此选用第一排第六列(角度改变最大处)进行分析。定位面的直径约为142mm。光管轴线变化的角度近似为(0.00015321-0.00010897)/142。约为0.064″。由上述分析结果可以看出，在工作过温度20℃，均匀升降1℃的条件下，单个光管安装面法线指向变化最大值为0.064″/℃，任意两个平行光管安装面法线夹角变化最大值按照最恶劣情况是单个平行光管安装面法线夹角变化最大值的两倍计算。按照热分析结果,任意两个平行光管安装面法线夹角变化最大值为0.128″/℃。可见，子模块桁架的热稳定性较好。
Claims (10)
1.一种高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：包括光管支撑架；
所述光管支撑架主要由N个子模块桁架(1)拼接而成，所述子模块桁架(1)采用低热膨胀系数的材料制作，N≥1；所述子模块桁架(1)包括上桁架单元(3)和M个下桁架单元(4)，M个下桁架单元(4)由上至下依次设置，所述上桁架单元(3)设置在顶端的下桁架单元(4)上方，M≥1；
所述上桁架单元(3)包括上安装底板(31)和上支撑组件(32)；所述上支撑组件(32)包括上横梁(321)、n个上斜梁(322)和n个上短梁(323)；所述上横梁(321)与上安装底板(31)平行设置，n个上短梁(323)的一端与上安装底板(31)的后侧底端连接，另一端与上横梁(321)连接；n个上斜梁(322)的一端与上安装底板(31)的后侧顶端连接，另一端与上横梁(321)连接；
所述下桁架单元(4)包括下安装底板(41)和后支撑组件(42)；所述后支撑组件(42)包括中间横梁(421)、下横梁(422)、n个中间短梁(423)、n个下短梁(424)、n个下斜梁(425)和n个竖梁(426)；所述中间横梁(421)与下安装底板(41)后侧顶端平行设置，且中间横梁(421)与上横梁(321)连接，n个中间短梁(423)的一端与下安装底板(41)后侧顶端连接，另一端与中间横梁(421)连接，同时，n个中间短梁(423)分别与n个上短梁(323)一一对应连接；
所述下横梁(422)与下安装底板(41)后侧底端平行设置，n个下短梁(424)的一端与下安装底板(41)后侧低端连接，另一端与下横梁(422)连接；n个竖梁(426)的顶端分别与中间横梁(421)连接，底端分别与下横梁(422)连接；n个下斜梁(425)的顶端分别与下安装底板(41)后侧顶端连接，底端分别与下横梁(422)连接；
所述上安装底板(31)和下安装底板(41)通过加固梁(6)连接，且上安装底板(31)和下安装底板(41)上设置有多个用于安装平行光管(2)的光管安装孔(5)；
多个平行光管(2)设置在光管安装孔(5)内，点亮不同的平行光管(2)，用于模拟不同的星图。
2.根据权利要求1所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：最下方的下桁架单元(4)还包括前支撑组件(43)，所述前支撑组件(43)包括前横梁(431)、前斜梁(433)和两个前短梁(432)，所述前横梁(431)设置在两个前短梁(432)之间，两个前短梁(432)的一端与前横梁(431)连接，另一端与下安装底板(41)的前侧面连接，所述前斜梁(433)的一端与前短梁(432)连接，另一端与下安装底板(41)前侧顶端连接。
3.根据权利要求2所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：所述前横梁(431)与前短梁(432)，前短梁(432)与下安装底板(41)的连接处均设置有三角形连接件(7)。
4.根据权利要求1所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：所述光管安装孔(5)内设置有垫片，通过调整不同垫片的厚度，使平行光管(2)的光轴汇聚于球心。
5.根据权利要求1所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：所述下桁架单元(4)的底部设置有具有自锁功能的万向轮。
6.根据权利要求1所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：所述上斜梁(322)与上安装底板(31)的连接处、上短梁(323)与上安装底板(31)的连接处、上短梁(323)与上斜梁(322)的连接处、上短梁(323)与上横梁(321)的连接处均设置有三角形连接件(7)。
7.根据权利要求1所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：所述上横梁(321)与上短梁(323)之间还通过上连接梁(324)连接。
8.根据权利要求1所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：所述中间横梁(421)与中间短梁(423)之间还通过中间连接梁(427)连接，n个下短梁(424)之间还通过下连接梁(428)连接。
9.根据权利要求1所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：所述中间横梁(421)、下横梁(422)、中间短梁(423)、下短梁(424)、下斜梁(425)、竖梁(426)以及下安装底板(41)中的连接处均设置有三角形连接件(7)。
10.根据权利要求1所述的高热稳定性大视场星图模拟器的支撑架，其特征在于：所述子模块桁架(1)采用铁镍合金制成。
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2022
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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