光学学报, 2019, 39 (7): 0728009, 网络出版: 2019-07-16   

微纳遥感相机一体式超轻主支撑结构优化设计 下载: 1158次

Optimized Design of Integrated Ultra-Light Main Supporting Structure for Micro-Nano Remote-Sensing Camera
作者单位
1 长光卫星技术有限公司, 吉林 长春 130031
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
图 & 表

图 1. 光学系统分布

Fig. 1. Layout of optical system

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图 2. 主支撑结构构型。(a)筒式;(b)桁架式

Fig. 2. Types of main supporting structure. (a) Cylinder type; (b) truss type

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图 3. 改进的Heaviside函数

Fig. 3. Improved Heaviside function

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图 4. 拓扑优化后主支撑结构的有限元模型

Fig. 4. Finite element model of main supporting structure after topology optimization

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图 5. 拓扑优化后主支撑结构的单元密度

Fig. 5. Cell density of main supporting structure after topology optimization

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图 6. 尺寸优化后主支撑结构的有限元模型

Fig. 6. Finite element model of main supporting structure after size optimization

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图 7. 振动测试现场

Fig. 7. In-site vibration test

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图 8. 正弦扫频实验数据

Fig. 8. Test data of sine-frequency sweep

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图 9. 静力学实验现场

Fig. 9. In-site statics test

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表 1光学系统的公差

Table1. Tolerance of optical system

MirrorRigid displacementTwist angle
Δx /μmΔy /μmΔz /μmθx /(″)θy /(″)θz /(″)
Primary mirrorDatumDatumDatumDatumDatumDatum
Second mirror2020None2020None

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表 2常用空间相机主支撑结构材料的物理性能

Table2. Physical properties of main supporting structure materials of common space cameras

MaterialDensity ρ /(g·cm-3)Young's modulus E /GPaSpecific stiffnessThermal conductivity k /(W·m-1·℃-1)Thermal expansion coefficient α /(10-6-1)Poisson's ratio μ
M401.5614592.92-20.3
Invar8.114117.413.90.05-7.50.25
SiC3.05330108.21852.50.2
ZTC44.4411425.78.88.90.29

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表 3主支撑结构性能参数的对比

Table3. Comparison of performance parameters of main supporting structures

Structure typePower of high temperature /WPower of low temperature /WPeak power /WMass /kg
Cylinder type2.15.414>1
Truss type0.61.64<1

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表 4主支撑结构的尺寸

Table4. Sizes of main supporting structure

DesignvariableVariationrange /mmOptimizationvalue /mmDesign value /mm
Ttop[1,3]2.22
Tcj[1,3]1.62
Trod[2,6]4.04
Tboard[5,12]10.810
Ttrim[2,4]3.33
Tbot[6,10]5.56

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表 5微纳遥感相机与NAOMI相机的结构与参数

Table5. Structures and parameters of micro-nano remote-sensing camera and NAOMI camera

ItemMicro-nano remote-sensing cameraNAOMI camera
Structure
Mass /kg613
Dimensionϕ230 mm×480 mm340 mm×460 mm×510 mm
Orbit altitude /km500680
Ground sample distance /m22.5
Swath width /m1017.5

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表 6静力学分析结果

Table6. Results of statics analysis

MirrorRigid displacementTwist angle
Δx /μmΔy /μmΔz /μmθx /(″)θy /(″)θz /(″)
Primary mirrorDatumDatumDatumDatumDatumDatum
Second mirror4.30.0003None6.50.003None

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表 7正弦扫频实验和工程分析得到的固有频率的对比

Table7. Comparison of intrinsic frequencies obtained from sine-frequency sweep experiment and engineering analysis

Loading directionIntrinsic frequency from analysis /HzIntrinsic frequency from experiment /HzError /%
Horizontal1992000.5
Axial4194231.0

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表 8静力学实验及工程分析得到的结果对比

Table8. Comparison between statics test results and analysis data

Angle of pitchOptical tolerance /(″)Data of analysis /(″)Data of test /(″)Error /%
θx206.55.416

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王泰雷, 张雷, 贾学志, 高阁. 微纳遥感相机一体式超轻主支撑结构优化设计[J]. 光学学报, 2019, 39(7): 0728009. Tailei Wang, Lei Zhang, Xuezhi Jia, Ge Gao. Optimized Design of Integrated Ultra-Light Main Supporting Structure for Micro-Nano Remote-Sensing Camera[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(7): 0728009.

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