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CN104375360B - 一种用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构 - Google Patents

一种用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构 Download PDF

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Abstract

一种用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构，包括次镜托框、三个支撑杆、三个支撑座，其中，次镜胶接固定在次镜托框上；三个支撑杆均匀地分布在次镜托框上，每个支撑杆的第一端沿次镜的切线方向固定在次镜托框上，并且三个支撑杆位于次镜反射面的背面；每个支撑杆的第二端连接至一个相应的支撑座；支撑座进一步通过螺钉连接在前镜筒上。本发明中，支撑座与支撑杆的连接部分前段采用螺栓刚性连接，后段采用结构胶和阻尼胶柔性连接，二者中间设计一弹簧半柔性结构。本发明与全刚性连接结构和全柔性连接结构相比，具有较高的动、静刚度、阻尼特性，且稳定性好，满足大口径同轴三反相机次镜组件空间环境使用要求。

Description

一种用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构
技术领域
本发明属于航天光学遥感相机技术领域，具体地，涉及一种用于航天大口径光学同轴三反相机次镜支撑的支撑结构。
背景技术
航天大口径光学同轴三反相机的次镜组件采用杆式支撑悬挂于前镜筒上，且由于距离相机与卫星的安装基面最远，次镜及其支撑结构所承受的力学环境最恶劣，为保证次镜能经历发射振动环境且稳定可靠，次镜组件与安装接口处的连接结构需同时具有较好的动力学性能和高稳定的特点。
传统的刚性连接结构刚度高、静力学性能好，但由于阻尼小，此结构加速度响应倍数大、次镜组件对安装点的作用力大，难以承受发射振动环境，而柔性连接结构与此相反，具有加速度响应倍数小、次镜组件对安装点的作用力小的特点，但其刚度低、静力学性能差。
因此设计一种兼顾二者优点且克服它们的不足的次镜支撑结构显得尤为重要。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有次镜支撑结构的不足，提供一种用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构，该支撑结构具有较高的动、静刚度和尺寸稳定性，且结构简单、加工装配方便，能够满足航天环境使用要求。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构，其特征在于，包括次镜托框、三个支撑杆、三个支撑座，其中，次镜托框为环形框，次镜胶接固定在次镜托框上；三个支撑杆均匀地分布在次镜托框上，每个支撑杆的第一端沿次镜的切线方向固定在次镜托框上，并且三个支撑杆位于次镜反射面的背面；每个支撑杆的第二端连接至一个相应的支撑座；支撑座进一步通过螺钉连接在前镜筒上；并且支撑杆包括两层蒙皮和位于两层蒙皮之间的芯板，其中，芯板为镂空结构，芯板与两层蒙皮通过铆钉铆接在一起，并且芯板与两层蒙皮还胶接连接；在每个支撑杆的第二端，两层蒙皮都包括伸出于芯板的蒙皮延伸部；支撑座包括贯穿其第一侧面和第二侧面的两道注胶槽，两道注胶槽通过中间间隔层间隔开，该中间间隔层自支撑座的第二侧面延伸超过其第一侧面形成一中间连接部；每个支撑杆的两层蒙皮延伸部自支撑座的第一侧面伸入两道注胶槽中，与支撑座胶接，同时，两层蒙皮延伸部还与中间连接部螺栓连接，并且当连接到位时，中间连接部与芯板之间间隔一定的距离。
进一步地，支撑杆的芯板与两层蒙皮通过以下方式胶接连接：在芯板上具有多个第一注胶孔，在每层蒙皮上都具有多个第二注胶孔，第一注胶孔的直径大于第二注胶孔的直径，并且每层蒙皮上的第二注胶孔的位置和数量都与第一注胶孔的相对应；支撑座上的每一道注胶槽的两个侧面均为网格结构，并且支撑座的第三侧面和第四侧面上均设置有第三注胶孔，该第三注胶孔连通至相应的注胶槽，其中，第三侧面与第四侧面平行，并且都垂直于第一侧面和第二侧面；支撑座的中间连接部上具有两个平行的切口，两个切口分别自中间连接部的顶面和底面朝向相对面延伸，但不贯穿。
与现有技术相比，根据本发明的用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构具备有益的技术效果，包括：
1、在本发明的支撑结构中，由于采用了半柔性支撑结构，使得空间相机次镜组件同时满足航天环境高的动、静刚度和尺寸稳定性的需求；
2、本发明的支撑杆包括两层蒙皮和位于两层蒙皮之间的镂空芯板，可同时满足支撑结构高刚度和质量小的要求；
3、在本发明的支撑结构中，由于采用了对称结构，因此可以消除环境温度变化对支撑结构的影响，保证了支撑结构的稳定性。
附图说明
图1为根据本发明的支撑结构的整体示意图；
图2a为根据本发明的支撑杆的主视图；图2b为图2a中的支撑杆的剖面图；图2c为根据本发明的支撑杆的俯视图；图2d为根据本发明的支撑杆的芯板的剖视图；
图3为根据本发明的支撑杆的局部剖视图，其中示出了蒙皮与芯板之间的铆钉连接结构；
图4为根据本发明的支撑杆的局部剖视图，其中示出了蒙皮与芯板之间的胶接连接结构；
图5为根据本发明的支撑座的立体示意图；
图6a为支撑座的主视图；图6b为图6a中的支撑座沿b-b线的剖视图；图6c为图6a中的支撑座沿a-a线的剖视图；
图7a为根据本发明的支撑杆与支撑座的一个连接示意图；图7b为根据本发明的支撑杆与支撑座的另一个连接示意图；图7c为图7a中的支撑座沿A-A向的剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构做进一步详细的说明。
如图1-图7c所示，根据本发明的用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构包括次镜托框2、三个支撑杆3、三个支撑座4。其中，次镜托框2为环形框，次镜1胶接固定在次镜托框2上。三个支撑杆3均匀地分布在次镜托框2上，每个支撑杆3的第一端沿次镜1的切线方向固定在次镜托框2上，并且三个支撑杆3位于次镜1反射面的背面。每个支撑杆3的第二端连接至一个相应的支撑座4；支撑座4进一步通过螺钉连接在前镜筒上。
次镜托框的结构根据待支撑的次镜而定，通常为环形框结构，次镜托框的结构可以采用本领域技术人员公知的或者现有可行的结构，在本发明中不做具体限定。
如图2a-图2d所示，支撑杆3包括两层蒙皮31、31和位于两层蒙皮31、31之间的芯板32。其中，芯板32为镂空结构(例如，如图2d所示，镂空结构采用中空的矩形框)。如图3所示，芯板32与两层蒙皮31、31通过铆钉(如图3中的6所示)铆接在一起。如图4所示，芯板32与两层蒙皮31、31还胶接连接。在每个支撑杆3的第二端，两层蒙皮31、31都包括伸出于芯板32的蒙皮延伸部311、311，请参考图2c。
在如图5所示的一个优选实施例中，支撑座4的主体为矩形块，其包括彼此平行的第一侧面46和第二侧面47、第三侧面48和第四侧面49，并且第一侧面和第二侧面与第三侧面和第四侧面呈垂直的关系。当然，本领域技术人员能够理解的是，在支撑座4的主体结构上可以设置基座(如图5中的401)，同时还可以设置加强筋(如图5中的402)，此为本领域公知的技术手段，在此不做赘述。
结合图5以及图6a-图6c所示，支撑座4包括贯穿其第一侧面和第二侧面的两道注胶槽41、41，两道注胶槽41、41通过中间间隔层(如图6a中的45)间隔开，该中间间隔层自支撑座4的第二侧面47延伸超过其第一侧面46形成一中间连接部42。每个支撑杆3的两层蒙皮延伸部311、311自支撑座4的第一侧面伸入两道注胶槽41、41中，与支撑座4胶接，同时，两层蒙皮延伸部311、311还与中间连接部42螺栓连接，并且当连接到位时，中间连接部42与芯板32之间间隔一定的距离。
结合图2a-图2d、图3-图4以及图7a-图7c，支撑杆3的芯板32与两层蒙皮31、31通过以下方式胶接连接：在芯板32上具有多个第一注胶孔321，在每层蒙皮31上都具有多个第二注胶孔312，第一注胶孔321的直径大于第二注胶孔312的直径，并且每层蒙皮31上的第二注胶孔312的位置和数量都与第一注胶孔321的相对应。通过向第二注胶孔312中注胶，并使得胶液充满第一注胶孔321，便可以将芯板32与两层蒙皮胶接在一起。
结合图6a-图6c以及图7a-图7b所示，支撑座4上的每一道注胶槽41的两个侧面(或称为槽壁)均为网格结构，并且支撑座4的第三侧面和第四侧面上均设置有第三注胶孔43，该第三注胶孔43连通至相应的注胶槽41，其中，第三侧面与第四侧面平行，并且都垂直于第一侧面和第二侧面；支撑座4的中间连接部42上具有两个平行的切口421、421，两个切口421、421分别自中间连接部42的顶面和底面朝向相对面延伸，但不贯穿。通过向第三注胶孔43中注胶，可以将支撑杆的蒙皮结构与支撑座固定连接起来。此外，可以向第三注胶孔中注入结构胶和阻尼胶，支撑座与蒙皮之间的胶既有结构胶又有阻尼胶，结构胶保证连接刚度，阻尼胶提高动力学性能，相比单纯采用结构胶，这种结构具有更好的动力学性能。结构胶与阻尼胶的点数(即，在多个第三注胶孔中如何分配两种胶)可根据力学性能需求和分析决定。
本发明的支撑结构将次镜与前镜筒安装接口连接起来，连接方式为：如图1、图7a-图7c所示，次镜托框与支撑杆一端的蒙皮和芯板采用螺栓刚性连接；支撑杆的另一端连接支撑座。支撑座的第一侧面上设计对称的注胶槽，支撑杆的蒙皮可插入其中。注胶槽的两个侧面有对称分布的网格形式的槽(参考图6a-图6c)，结构胶和阻尼胶可通过支撑座上的注胶孔注入槽内(待胶从边缘处溢出即为注满)，从而实现支撑座与支撑杆之间的胶接，此连接为柔性连接。为进一步提高减振性能，支撑座上设计一弹簧半柔性结构(即，中间连接部42上的两个平行的切口421)。将无弹簧结构的连接方式(只有螺栓连接)称为全刚性连接；将只有胶连接的方式称为全柔性连接。全刚性连接刚度高，但对接口处振动响应倍数大，而全柔性连接的响应倍数小，但刚度低，本发明的支撑结构兼顾全刚性连接和全柔性连接的优点，又克服了二者的不足，在保证刚度的同时，提高了阻尼性能，降低了次镜对前镜筒安装接口处振动的响应。
本发明中，支撑杆3采用对称结构，芯板两侧面分别胶接两层蒙皮，胶接方式也采用对称胶接；支撑座采用对称结构，支撑座与支撑杆的两层蒙皮之间也采用对称注胶实现连接。对称结构可使材料因环境温度变化引起的应力相互抵消，消除支撑结构的变形，提高稳定性。
支撑座与支撑杆的蒙皮之间注胶后胶层为对称结构，胶变化对支撑座的作用因其两侧对称可相互抵消，解决了胶层受环境变化影响造成支撑座变形的技术问题，为次镜提供了稳定的支撑。
整个设计为支撑杆与前镜筒之间提供同时具有高刚度、高稳定特点的支撑结构。
在根据本发明的用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构中，支撑座的材料为铟钢。支撑座与支撑杆的装配方法为：根据加工好的蒙皮的厚度尺寸配制加工支撑座上的注胶槽，保证蒙皮可插入其中，且无缝隙；用工装将支撑杆与支撑座固定，定位以后实施螺栓连接。支撑座的第三侧面和第四侧面上一共有30个注胶孔，其中6个孔注结构胶(例如，采用703胶)，其余孔注阻尼胶(例如，采用XM23胶)，将结构胶注入支撑座的注胶槽内，待其固化后将阻尼胶注入支撑座的注胶槽内，待阻尼胶性能处理完成后，对支撑座上的残余胶进行清洁，不得破坏支撑座结构。
下面的表1为次镜组件分别采用根据本发明的高稳定半柔性支撑结构、全刚性连接结构、全柔性连接结构的力学性能分析结果，约束点为支撑座底面与前镜筒的安装接口。表2为不同模型的静力学分析结果，约束点为支撑座底面与前镜筒的安装接口，次镜光轴方向水平。采用Patran/Nastran软件仿真分析得到。从表中可知，次镜组件采用本发明的高稳定半柔性支撑结构，相比于全柔性结构，一阶频率提高至104Hz，重力作用下次镜最大变形量减至3.49um，相比于全刚性结构，加速度响应倍数更小，次镜组件对安装点的作用力减小了62.7％。
表1次镜组件采用不同连接结构的力学性能分析结果
表2次镜组件采用不同连接结构的静力学分析结果
表3为支撑座与支撑杆的蒙皮之间注不同胶的力学性能分析结果，结构胶+阻尼胶的连接方式的加速度响应倍数更小。
表3次镜组件采用不同胶的力学性能分析结果
模型 结构胶+阻尼胶连接 结构胶连接
一阶频率 104Hz 105Hz
加速度响应倍数 12 16
表4为次镜组件装配完成后进行力学振动试验和重力变形试验的结果，与仿真分析结果一致。试验对本专利的力学性能和稳定性进行了验证，次镜组件满足相机空间环境使用要求。
表4次镜组件力学试验结果
在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于空间相机次镜的高稳定半柔性支撑结构，其特征在于，包括次镜托框(2)、三个支撑杆(3)、三个支撑座(4)，其中，
次镜托框(2)为环形框，次镜(1)胶接固定在次镜托框(2)上；三个支撑杆(3)均匀地分布在次镜托框(2)上，每个支撑杆(3)的第一端沿次镜(1)的切线方向固定在次镜托框(2)上，并且三个支撑杆(3)位于次镜(1)反射面的背面；每个支撑杆(3)的第二端连接至一个相应的支撑座(4)；支撑座(4)进一步通过螺钉连接在前镜筒上；并且
支撑杆(3)包括两层蒙皮(31，31)和位于两层蒙皮(31，31)之间的芯板(32)，其中，芯板(32)为镂空结构，芯板(32)与两层蒙皮(31，31)通过铆钉铆接在一起，并且芯板(32)与两层蒙皮(31，31)还胶接连接；在每个支撑杆(3)的第二端，两层蒙皮(31，31)都包括伸出于芯板(32)的蒙皮延伸部(311，311)；
支撑座(4)包括贯穿其第一侧面和第二侧面的两道注胶槽(41，41)，两道注胶槽(41，41)通过中间间隔层间隔开，该中间间隔层自支撑座(4)的第二侧面延伸超过其第一侧面形成一中间连接部(42)；每个支撑杆(3)的两层蒙皮延伸部(311，311)自支撑座(4)的第一侧面伸入两道注胶槽(41，41)中，与支撑座(4)胶接，同时，两层蒙皮延伸部(311，311)还与中间连接部(42)螺栓连接，并且当连接到位时，中间连接部(42)与芯板(32)之间间隔一定的距离；
支撑杆(3)的芯板(32)与两层蒙皮(31，31)通过以下方式胶接连接：
在芯板(32)上具有多个第一注胶孔(321)，在每层蒙皮(31)上都具有多个第二注胶孔(312)，第一注胶孔(321)的直径大于第二注胶孔(312)的直径，并且每层蒙皮(31)上的第二注胶孔(312)的位置和数量都与第一注胶孔(321)的相对应；
支撑座(4)上的每一道注胶槽(41)的两个侧面均为网格结构，并且支撑座(4)的第三侧面和第四侧面上均设置有第三注胶孔(43)，该第三注胶孔(43)连通至相应的注胶槽(41)，其中，第三侧面与第四侧面平行，并且都垂直于第一侧面和第二侧面；支撑座(4)的中间连接部(42)上具有两个平行的切口(421，421)，两个切口(421，421)分别自中间连接部(42)的顶面和底面朝向相对面延伸，但不贯穿。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Luo Shikui

Inventor after: Chen Fang

Inventor after: Cao Dongjing

Inventor after: Pan Ningxian

Inventor after: Shi Jiaohong

Inventor after: Wu Jie

Inventor after: Zong Xiaoying

Inventor after: Zhang Jianguo

Inventor before: Luo Shikui

Inventor before: Chen Fang

Inventor before: Cao Dongjing

Inventor before: Pan Ningxian

Inventor before: Shi Jiaohong

Inventor before: Wu Jie

Inventor before: Zong Xiaoying

Inventor before: Zhang Jianguo

COR Change of bibliographic data
GR01 Patent grant
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