在轨维修可以大大的延长空间科学仪器的使用寿命, 节省大量的经济成本。为了实现空间望远镜后端模块的在轨操作和更换, 设计了一套与之对应的接口机构, 能够解决在轨快速定位与安装。根据321运动学定位准则, 详细介绍了该接口机构的内部组成和工作原理; 然后把该接口机构与后端模块进行组件级有限元仿真, 仿真结果表明一阶模态远高于整机基频可以有效地避免发射时候的共振; 设计了一套平面内的工装来模拟后端模块, 利用等效质量法对整个机构进行重力卸载; 搭建实验平台, 利用激光跟踪仪来测量整个后端模块的重复定位安装精度, 实验数据表明, X, Y, Z 3个方向的重复平移定位误差分别为±5.58 μm, ±3.24 μm及±3.63 μm, 优于总体指标±10 μm; 热实验结果表明整个机构可以完全释放由于温度变化产生的形变, 具有很高的热稳定性; 使入射光线和靶面的相对位置持续稳定, 保证了较高的成像质量。为其他空间在轨维护装置提供强有力的参考价值。

快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置, 而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象, 设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构, 该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程, 建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型, 针对快速反射镜机构的谐振频率要求, 选择了柔性铰链的主要结构参数, 并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析, 分析结果表明, 快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz, 而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上, 证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性, 加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台, 对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测, 检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。

为了实现空间望远镜大型光学载荷的在轨更换, 设计了一种能够实现在轨快速拆装的定位机构, 并针对其核心问题即在轨重复定位精度进行了研究。首先, 选定了一种能够避免热应力的运动学定位方式。在此基础上设计了定位机构, 并根据刚体的微小角位移是矢量并符合矢量合成法则的原则, 利用角位移矢量合成的方法推导出了光学载荷的转角数学模型; 然后, 设计杆系结构模拟了光学载荷及其框架, 同时为了模拟光学载荷在轨拆装的微重力环境, 利用微重力模拟的常用方法悬吊法设计了悬吊装置, 以实现光学载荷模块的重力卸载; 最后, 搭建了试验检测环境, 对光学载荷模块进行重复拆装试验, 利用经纬仪及数显千分表进行检测, 并处理试验结果得到了重复定位误差值。结果表明, 光学载荷模块的重复安装转角误差最大为±28.8″, 平移误差最大为±0.057 mm。本文研究能够为在轨可更换载荷定位机构的设计提供参考, 具有理论意义和应用价值。