CN109387997A - 一种高刚度轻质空间相机镜筒及其抗振稳定性测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高刚度轻质空间相机镜筒及其抗振稳定性测试方法，包括筒体、主镜法兰、次镜法兰和加强筋；筒体为空心圆柱，筒体一端设有用于连接空间相机主镜的主镜法兰、筒体另一端设有用于连接空间相机次镜的次镜法兰，筒体外侧设有用于补强结构的加强筋，筒体、主镜法兰、次镜法兰和加强筋由碳化硅三维编织一体成型。本发明通过采用碳化硅材料三维编织一体成型筒体、法兰和加强筋，优化了镜筒整体结构，弥补了传统的金属支撑结构重量过大且自身膨胀系数较大的缺陷；通过设计镜筒结构的抗振稳定性测试方法，确保了镜筒整体的稳定性，解决了传统的树脂基复合材料稳定性较差的问题。

Description

一种高刚度轻质空间相机镜筒及其抗振稳定性测试方法
技术领域
本发明涉及一种高刚度轻质空间相机镜筒，尤其适用于空间高分辨率相机主镜与次镜之间的支撑，属于空间相机内部支撑结构技术领域。
背景技术
航天高分辨率相机多采用筒体作为支撑结构，温度引起的各光学零件之间的间隔变化将由筒体的线膨胀系数决定，而光学零件之间间隔的变化会造成焦距及像面位置的极大改变，因此必须严格控制光学件间距的热稳定性。
一般材料如铝合金或钛合金，由于材料自身线膨胀系数较大，多作为小结构尺寸镜筒。而高分辨率相机口径较大，光学零件间的间隔控制更为严格，多采用低膨胀系数材料作为支撑结构。虽然低膨胀材料殷钢4J32B热变形小，但其密度较大，鉴于重量限制，也多作为小结构尺寸镜筒，虽然可通过采用内外蒙皮中间夹环筋结构减轻部分重量，但其必将引入复杂的连接结构，对尺寸稳定性造成不利影响。
虽然碳纤维增强树脂基复合材料具有较低的密度(～1.5g/cm3)以及较高的比刚度，但是空间长时间使用要求对其树脂基体的稳定性是一种重大的挑战，同时其对水蒸气较敏感，吸湿所引起的体积膨胀将导致空间光学***地面装配状态与空间在轨运行状态下尺寸发生较大的变化。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种高刚度轻质空间相机镜筒，通过采用碳化硅材料三维编织一体成型筒体、法兰和加强筋，优化了镜筒整体结构，弥补了传统的金属支撑结构重量过大且自身膨胀系数较大的缺陷；通过设计镜筒结构的抗振稳定性测试方法，确保了镜筒整体的稳定性，解决了传统的树脂基复合材料稳定性较差的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种高刚度轻质空间相机镜筒，包括筒体、主镜法兰、次镜法兰和加强筋；筒体为空心圆柱，筒体一端设有用于连接空间相机主镜的主镜法兰、筒体另一端设有用于连接空间相机次镜的次镜法兰，筒体外侧设有用于补强结构的加强筋，筒体、主镜法兰、次镜法兰和加强筋由碳化硅三维编织一体成型。
在上述的一种高刚度轻质空间相机镜筒中，所述筒体内径与主镜法兰外径的比例设为1:1.1，筒体内径与次镜法兰外径的比例设为1:1.2。
在上述的一种高刚度轻质空间相机镜筒中，所述主镜法兰上均匀布设有用于连接空间相机主镜的通孔。
在上述的一种高刚度轻质空间相机镜筒中，所述通孔的数量范围设为24～48个。
在上述的一种高刚度轻质空间相机镜筒中，所述次镜法兰上均匀布设有用于连接空间相机次镜的三组光孔。
在上述的一种高刚度轻质空间相机镜筒中，所述光孔的数量范围设为6～12个。
在上述的一种高刚度轻质空间相机镜筒中，所述加强筋包括环筋和纵筋；环筋沿筒体周向均匀布设在筒体外侧且与筒体轴线垂直，纵筋沿筒体周向均匀布设在筒体外侧且与筒体轴线平行。
在上述的一种高刚度轻质空间相机镜筒中，所述环筋的数量不少于3根，纵筋的数量不少于6根。
一种基于所述高刚度轻质空间相机镜筒的抗振稳定性测试方法，包括如下步骤：
第一步，制作基准量块，并将基准量块分别安装在主镜法兰和次镜法兰上；
第二步，对筒体进行N次试验，每次试验均施加相同的振动载荷，通过测量每次试验中，基准量块的空间位置变化量，得出主镜法兰和次镜法兰的轴向形变量、周向形变量和平行度偏差量；
第三步，将第N次试验的结果与第N-1次试验的结果进行比较，若主镜法兰和次镜法兰的轴向形变量、周向形变量和平行度偏差量均趋向于收敛，则证明筒体的抗振稳定性达标；若主镜法兰和次镜法兰的轴向形变量、周向形变量或平行度偏差量趋向于发散，则证明筒体的抗振稳定性不达标。
在上述的一种高刚度轻质空间相机镜筒的抗振稳定性测试方法中，所述第一步中，基准量块为实心立方体，基准量块的材料采用1Cr17Ni2不锈钢，基准量块上设有用于连接主镜法兰和次镜法兰的螺孔。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明与常用遥感器支撑金属结构材料相比，在相同构型下，重量更轻，最大减重达75％(具体数据见表3)，刚度更高，表现在自由和约束状态下基频更高(具体数据见表4、表5)，热变形更小，表现在温度均匀变化后，镜筒轴向长度变化小(具体数据见表7)，能更好地保证主镜法兰和次镜法兰的间隔满足***使用要求，光轴水平，自重情况下次镜端安装面下沉量更小(具体数据见表6)，说明镜筒能给次镜提供较高稳定性，说明镜筒失重变形小，利于***装调及稳定。
【2】本发明跟碳纤维增强树脂基结构相比，热胀系数更小，同时吸湿更小即吸湿导致的结构尺寸变化量小(具体数据见表7)，结构尺寸具有较高的稳定性，表现在试验过程中主镜法兰面与次镜法兰面各自的平面度及相互间的平行度和距离变化均较小(具体数据见表8)。
【3】本发明镜筒为三维编织结构，受力时无纤维与基体剥离脱落、无裂纹及扩散现象，装配时应力处较大处无出现压溃现象；主镜法兰和次镜法兰的装配面并无预埋或粘接金属结构件，减少了成型工序，减少了结构件数量，提高镜筒的稳定性，主镜法兰和次镜法兰的装配面精度可以通过镜筒自重在平台上反复研磨粉料达到。
【4】本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，且具有较长的使用寿命，在复杂工况下依然能够良好运转，具备通用性强、适用范围广的特点，市场应用前景非常广阔。
附图说明
图1为本发明的示意图
图2为本发明抗振稳定性测试示意图
图3为本发明抗振稳定性测试流程图
其中：1筒体；2主镜法兰；3次镜法兰；4加强筋；41环筋；42纵筋；5基准量块；
具体实施方式
为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种高刚度轻质空间相机镜筒，包括筒体1、主镜法兰2、次镜法兰3和加强筋4；筒体1为空心圆柱，筒体1一端设有用于连接空间相机主镜的主镜法兰2、筒体1另一端设有用于连接空间相机次镜的次镜法兰3，筒体1外侧设有用于补强结构的加强筋4，筒体1、主镜法兰2、次镜法兰3和加强筋4由碳化硅三维编织一体成型。
优选的，筒体1内径与主镜法兰2外径的比例设为1:1.1，筒体1内径与次镜法兰3外径的比例设为1:1.2。
优选的，主镜法兰2上均匀布设有用于连接空间相机主镜的通孔。
优选的，通孔的数量设为24个。
优选的，次镜法兰3上均匀布设有用于连接空间相机次镜的三组光孔。
优选的，述光孔的数量设为12个。
优选的，加强筋4包括环筋41和纵筋42；环筋41沿筒体1周向均匀布设在筒体1外侧且与筒体1轴线垂直，纵筋42沿筒体1周向均匀布设在筒体1外侧且与筒体1轴线平行。
优选的，环筋41的数量设为3根，纵筋42的数量不少于6根。
优选的，主镜法兰2和次镜法兰3均为圆环。
如图2～3所示，一种基于所述高刚度轻质空间相机镜筒的抗振稳定性测试方法，包括如下步骤：
第一步，制作基准量块5，并将基准量块5分别安装在主镜法兰2和次镜法兰3上；
第二步，对筒体1进行N次试验，每次试验均施加相同的振动载荷，通过测量每次试验中，基准量块5的空间位置变化量，得出主镜法兰2和次镜法兰3的轴向形变量、周向形变量和平行度偏差量；
第三步，将第N次试验的结果与第N-1次试验的结果进行比较，若主镜法兰2和次镜法兰3的轴向形变量、周向形变量和平行度偏差量均趋向于收敛，则证明筒体1的抗振稳定性达标；若主镜法兰2和次镜法兰3的轴向形变量、周向形变量或平行度偏差量趋向于发散，则证明筒体1的抗振稳定性不达标。
优选的，第一步中，基准量块5为实心立方体，基准量块5的材料采用1Cr17Ni2不锈钢，基准量块5上设有用于连接主镜法兰2和次镜法兰3的螺孔。
优选的，主镜法兰2为空间相机主镜的装配基准面，一体成型过程中并未埋入预埋件和粘接金属连接环，装配面上所有安装孔均为通孔。主镜法兰2不能通过一般铣、磨或刮研得到，可利用特殊颗粒的研磨粉料，筒体1在自重情况下对主镜法兰2进行研磨。
优选的，次镜法兰3为空间相机次镜的装配基准面，一体成型过程中并未埋入预埋件和粘接金属连接环，装配面上所有安装孔均为通孔。次镜法兰3不能通过一般铣、磨或刮研得到，可利用特殊颗粒的研磨粉料，筒体1在自重情况下对次镜法兰3进行研磨。
为便于比较，C/SiC材料镜筒为模型A，铝合金材料镜筒为模型B，钛合金材料镜筒为模型C，殷钢合金材料镜筒为模型D。各材料性能参数见表1。由表1可知，C/SiC材料重量比常用结构材料轻，易实现支撑结构的轻量化。表2为镜筒初步设计尺寸，根据初步设计尺寸得出的各模型重量见表3。
表1材料性能参数
表2镜筒结构尺寸
模型 主镜法兰 次镜法兰 壁厚 筋厚 外径 高度
尺寸/mm 10 10 5 8 700 700
表3各材料镜筒重量
模型 A B C D
重量/kg 20 27 45 81
表4为各模型的自由模态，通过patran/nastran软件仿真得到。可知，C/SiC镜筒自身刚度较好，前几阶自由频率均较高。
表4各模型自由频率
表5为约束模态分析结果，次镜端负载5kg，模拟次镜组件重量，约束为主镜法兰2固定支撑。可知，C/SiC镜筒刚度较好，前几阶约束频率均较高。
表5各模型约束频率
表6为光轴水平，次镜端负载5kg，模拟次镜组件重量，约束为主镜法兰2固定支撑，重力载荷作用下，次镜法兰3下沉量分析结果。可知，镜筒在重力作用下变形更小，对次镜的支撑能提供更高的稳定性，更有利于***的装调及稳定。
表6各模型次镜端下沉量
模型 A B C D
下沉量/μm 2.1 3.7 3.9 4.9
表7为温度均匀变化4℃时，镜筒轴向变形量，也即主镜法兰2和次镜法兰3的端面距离的变化量。C/SiC材料镜筒具有更小的温度线膨胀系数，温度变化时导致的结构尺寸变化小，结构产生热应力小，极大地降低了对热控***的要求，更有利于***的装调及稳定。
表7各模型随温度长度变化量
模型 A B C D
线胀系数/10<sup>-6</sup>/℃ 0.5 24 9 1
变化量/μm 1.4 67.2 25.2 2.8
在主镜法兰2和次镜法兰3的端面上设置基准点和测量点分别模拟主镜光轴及次镜光轴，试验前后测主镜光轴和次镜光轴的变化情况，通过三坐标检测各点的位置变化来代替，试验与检测交叉进行，直至变化量趋于收敛并满足使用要求。由表7可知，镜筒在试验过程中内部应力得到逐步释放，最后结构尺寸趋于稳定。
表8尺寸稳定性试验
试验名称 水平变化/μm 竖直变化/μm 角度变化/″
试验一 7.56 7.4 22.7
试验二 5.5 5.9 7.5
试验三 2.5 2.9 3.5
试验四 1.8 1.2 2.7
试验中测试主镜光轴和次镜光轴的变化方法如下：
在主镜法兰2上选取三个基准量块5，每个基准量块5代表一个空间点，通过测量基准量块5相邻的三个面得到。根据主镜法兰2上的三个点建立一个空间坐标系，主镜光轴为坐标系Z轴。次镜法兰3在次镜安装位置处附近的三个基准量块5通过测试亦可得到三个空间点，此三点构成一个平面，该平面的重心代表次镜顶点，过重心的法线代表次镜光轴。次镜顶点变化量分解为水平变化量和竖直变化量，水平变化量为垂直于光轴两方向的合成，竖直变化量为沿光轴方向的变化量。次镜光轴角度变化量为过重心得法线在坐标系的投影与Z轴的夹角。如表9所示，用于测试主镜法兰3的基准量块5的编号分别为A1、A2、A3，用于测试次镜法兰3的基准量块5的编号分别为F1、F2、F3。
表9试验测试数据
A1-A3为建立坐标系的基准点，试验前后对应点相减变化量应较小；
F1-F3位置变化由F1-F3的重心位置F的变化来代替，分为水平变化FΔZ和竖直变化FΔXY，计算公式如下：
F点角度的变化由试验前后所测坐标值计算得出，在此不作详细说明。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种高刚度轻质空间相机镜筒，其特征在于：包括筒体(1)、主镜法兰(2)、次镜法兰(3)和加强筋(4)；筒体(1)为空心圆柱，筒体(1)一端设有用于连接空间相机主镜的主镜法兰(2)、筒体(1)另一端设有用于连接空间相机次镜的次镜法兰(3)，筒体(1)外侧设有用于补强结构的加强筋(4)，筒体(1)、主镜法兰(2)、次镜法兰(3)和加强筋(4)由碳化硅三维编织一体成型。
2.根据权利要求1所述的一种高刚度轻质空间相机镜筒，其特征在于：所述筒体(1)内径与主镜法兰(2)外径的比例设为1:1.1，筒体(1)内径与次镜法兰(3)外径的比例设为1:1.2。
3.根据权利要求1所述的一种高刚度轻质空间相机镜筒，其特征在于：所述主镜法兰(2)上均匀布设有用于连接空间相机主镜的通孔。
4.根据权利要求3所述的一种高刚度轻质空间相机镜筒，其特征在于：所述通孔的数量范围设为24～48个。
5.根据权利要求1所述的一种高刚度轻质空间相机镜筒，其特征在于：所述次镜法兰(3)上均匀布设有用于连接空间相机次镜的三组光孔。
6.根据权利要求5所述的一种高刚度轻质空间相机镜筒，其特征在于：所述光孔的数量范围设为6～12个。
7.根据权利要求1所述的一种高刚度轻质空间相机镜筒，其特征在于：所述加强筋(4)包括环筋(41)和纵筋(42)；环筋(41)沿筒体(1)周向均匀布设在筒体(1)外侧且与筒体(1)轴线垂直，纵筋(42)沿筒体(1)周向均匀布设在筒体(1)外侧且与筒体(1)轴线平行。
8.根据权利要求1所述的一种高刚度轻质空间相机镜筒，其特征在于：所述环筋(41)的数量不少于3根，纵筋(42)的数量不少于6根。
9.一种基于权利要求1所述的高刚度轻质空间相机镜筒的抗振稳定性测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，制作基准量块(5)，并将基准量块(5)分别安装在主镜法兰(2)和次镜法兰(3)上；
第二步，对筒体(1)进行N次试验，每次试验均施加相同的振动载荷，通过测量每次试验中，基准量块(5)的空间位置变化量，得出主镜法兰(2)和次镜法兰(3)的轴向形变量、周向形变量和平行度偏差量；
第三步，将第N次试验的结果与第N-1次试验的结果进行比较，若主镜法兰(2)和次镜法兰(3)的轴向形变量、周向形变量和平行度偏差量均趋向于收敛，则证明筒体(1)的抗振稳定性达标；若主镜法兰(2)和次镜法兰(3)的轴向形变量、周向形变量或平行度偏差量趋向于发散，则证明筒体(1)的抗振稳定性不达标。
10.根据权利要求9所述的一种高刚度轻质空间相机镜筒的抗振稳定性测试方法，其特征在于：所述第一步中，基准量块(5)为实心立方体，基准量块(5)的材料采用1Cr17Ni2不锈钢，基准量块(5)上设有用于连接主镜法兰(2)和次镜法兰(3)的螺孔。
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