根据深空探测相机轻质高刚度、高性能的要求, 设计了一种超轻主支撑结构。深空探测相比于地球探测环境更加严苛, 主支撑结构作为主承力结构, 其在发射、在轨环绕阶段都应具有高稳定性, 来保持各光学元件之间的相对位置不变。与传统方法相比, 文中采用拓扑优化得到清晰的主支撑结构的最佳传力路径, 然后通过尺寸优化来提高主支撑结构基频。最后进行轻量化设计, 其前后框架结构轻量化率达到90％以上。仿真分析和试验结果表明, 主支撑结构满足公差要求且基频(80.264 Hz)远远高于整星一阶频率, 应用光学测量的方法振前、振后前框架相对于后框架倾角为3″、0.3″, 满足光学系统的公差要求, 具有较好的稳定性。大量级力学试验后系统的波像差<λ/14, 满足光学系统成像质量要求。

为满足机载光谱仪主支撑结构动力学特性好、质量低等需求, 本文进行了主支撑结构的优化设计及试验验证。首先, 针对常用结构无法适用于本系统的问题, 提出了一种框架式与薄壁筒式结构相结合的总体结构形式, 方便对遮光罩与结构进行一体化设计, 可有效降低质量且保证刚度; 其次, 为提高系统模态, 采用多变量集成优化方法, 在满足质量要求的情况下将其模态由127 Hz提高到156 Hz, 使其具有良好的动力学特性; 然后, 为确定振动环境对系统调制传递函数(MTF)的影响, 通过有限元分析与灵敏度矩阵相结合的方法分析了振动环境对系统MTF影响, 并通过计算得知本结构能适用于像元尺寸大于10 μm的机载系统; 最后, 通过对主支撑结构的测振试验与整机结构的波前检测试验, 验证了本文设计方法与分析过程的有效性与可行性。本文提出的优化设计方法可为机载遥感仪器结构的优化设计提供参考, 将有助于推动机载遥感仪器结构设计技术的发展。

针对某型号微纳遥感相机超轻质、低功耗、短周期和低成本的要求,设计了一种一体式超轻主支撑结构。从微纳遥感相机的任务需求出发,经过比较后选择钛合金作为主支撑结构的材料,并从质量和功耗两方面考虑选择了桁架式方案。建立了以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,推导了目标函数的灵敏度,并通过采用改进的Heaviside密度滤波方法,得到了拓扑结果清晰的主支撑结构最优传力路径。以基频为目标函数建立尺寸的优化数学模型,得到了各部分的最佳设计尺寸,设计完成后的一体式主支撑结构质量为0.6 kg。有限元分析与实验结果表明:一体式主支撑结构能够满足光学系统的公差要求,且基频远高于卫星平台对光学载荷的要求,验证了拓扑优化设计方法和尺寸优化设计方法的正确性以及设计的合理性。