空间光学遥感器遮光罩结构方案选择_陈立恒
遥感仪器光学系统用非球面反射镜的支撑结构设计
摘 要 ：目前空 间遥 感仪器 的非球 面反射镜 一般都是用 支撑柔 性 结构加 背板 的支 撑 结 构 支撑 的。由于支 撑 结构 的质 量 占有较 大 比重，需要 简化支 撑结构 的形 式，降低支撑
结构 的质 量。依 据 三点定位原 理和双脚 架挠 性 结构，设 计 了 ３ 个 用 于简化反 射镜支撑 结构形 式 的柔 性铰链 结构，并采用 有 限元 软件 对设 计结果 进行 了分析 。结果表 明，这 种 支撑 结构 形 式可 以适应 空 间力 热环境 并能达 到精度 要求，实现 了对 大 口径 非球 面反
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏｆ Ｓｕ ｐｐｏ ｒ ｔ ｆ ｏ ｒ Ａｓ ｐｈｅ ｒ ｉ ｃ Ｍ ｉ ｒ ｒ ｏ ｒ Ｕｓ ｅ ｄ ｉ ｎ
Ｒｅ ｍｏ ｔ ｅ Ｓ ｅ ｎｓ ｏ ＣＵＩ Ｙ ｏｎ ｇ — ｐ ｅ ｎ ｇ．ＨＥ Ｘｉ ｎ
（ Ｄｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ＠ａ ｃ ｅ Ｏｐ ｔ ｉ ｃ ｓ ， Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ｓ ， Ｆ ｉ ｎ ｅ Ｍｅ ｃ ｈ ａ —
ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ａ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ．Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｕ ｐｐ ｏ ｒ ｔ ｃ ｏ ｎ ｉ ｆ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ａ ｂ ｌ ｅ ｔ ｏ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ｔ ｈ ｅ
ａ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ｌ ｆ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｌ ｉ ｎ ｋ ａ ｎ ｄ ａ ｂ ａ ｃ ｋ ｂ ｏ ａ ｒ ｄ． Ｂｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｐｐ ｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ａ ｃ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ｓ ｆ ｏ ｒ ａ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐｏ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｗｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ， ｉ ｔ ｓ ｃ ｏ ｎ ｉ ｆ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｗｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｓ ｈ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂｅ ｓ ｉ ｍｐｌ ｉ ｉ ｆ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ．Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｐｏ ｉ ｎ ｔ ｏ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｂｉ ｐ ｏ ｄ ｌ ｆ ｅ ｘ ｕ ｒ ｅ ，ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｌ ｆ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｌ ｉ ｎ ｋ
离轴三反光学遥感器遮光罩的设计与试验验证
离轴三反光学遥感器遮光罩的设计与试验验证齐光;王书新;李景林;焦爱祥【摘要】遮光罩是空间光学遥感器的重要组成部分，是抑制空间光学遥感器杂散光的首要措施。
遮光罩削弱杂散光效果的好坏直接影响到光学遥感器光学系统的成像品质。
本文设计了一种满足离轴三反空间光学遥感器要求的大尺寸碳纤维／环氧复合材料遮光罩，并结合有限元分析、杂散光分析及力学试验、光学系统传递函数检测手段来验证该遮光罩是否满足航天使用要求。
结果显示，各视场光学系统传递函数检测结果基本一致，均在0．2以上。
表明该大尺寸遮光罩具备良好的结构的稳定性、可靠性，能够满足空间应用要求。
%The baffle is an important component of the space optical remote sensor,which is the main way to weaken the stray light from the out-of-field radiation source,and the imaging quality of the space optical re-mote sensor is dependent on the baffle′s performance.In this paper,a large size baffle layout will be designed to meet the off-axis Wetherell TMA optical system.The baffle is made of carbon fiber reinforced polymer (CFRP).The FEManalysis,stray light analysis,mechanical vibration test and optical system MTF test are used to verify the usage requirement in aerospace.Results show that the MTF of the optical remote sensor can reach up to 0.2 in each field of view.It is indicated that the baffle has stable structure and good reliability and can meet the requirements of space applications.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2016(009)004【总页数】11页(P472-482)【关键词】空间光学遥感器;遮光罩;稳定性;有限元分析;杂散光分析【作者】齐光;王书新;李景林;焦爱祥【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033【正文语种】中文【中图分类】V445.8;TH16空间光学遥感器被广泛地应用于空间对地、空间对天等领域的目标观测、侦查，并借此来获取重要的情报信息。
基于热光学技术的空间光学系统热设计
个环节 。热设 计 时应尽 量 降低热控 系统 的质 量和 能耗 ， 同时 保证 较 高 的适 应性 和 可 靠性 。 图 １所 示 为一 个典 型 的热 光 学分 析 与 热 设计 流程 简 图 ，
化 。在热光学分析过程中， 温度数据仅仅是一
种 中间变 量和设 计 结 果 ， 作 为 热设 计 的 最 终指 不 标 。美 国早 在 ２ ０世 纪 ７ ０年 代 ， 开 始采 用热 光 就
案。首先 ， 阐述 了热光学技术 的一般方 法以及热光学技术与热设计 的关 系 ， 同时根 据空间光学遥感器所处 的空 间环境和 结构特点 ， 应用被 动和主动热控技术对 空间光学系统进行 了热设计 。然后 ， 利用有 限元 方法对热控后 的温度 场和热 弹性 变形进行 了分析 ， 得出该温度载荷 条件 下光 学元件 表面 的变形 量及 刚体位 移量 ， 用 Ｚｒｉｅ多项式 进行 了波 面拟合 。 利 ｅ ｋ ｎ 最后 ， Ｃ ｄ Ｖ光 学设 计软件计算 了热载荷作 用下光 学系 统的传 递 函数 。结果 表 明， 用 ｏｅ 各种 工况 下全 视场范 围 内光学 系 统分 辨率为 ５ ０ｌ ， ｐ时 传递 函数均超过 ０ ５ 成像 良好 ， ．， 能够满 足光学设计指标 ， 热设计方案合理 可行 。 关 键 词： 空间光学 ； 学 系统 ； 光 热设计 ； 热光 学分析
收 稿 日期 ：０ ９ １１ ： 订 日期 ：０ ９ ４１ ２ ０ － —５ 修 ０ ２０ － —９ ０
中国光学与应用光学
第３ 卷
镜 进行 热设计 ， 采 用 波前 探 测 器 实 时测 量 光 学 并
１ 引 言
空 间遥感 器是 长 寿命 对 地观测 卫 星的主 要有
元件 的波 面变化 。俄罗 斯莫 斯科空 间研 究所设 计 的热光学 试验 装 置 ， 可在 真 空 罐 中实 时检 测 带 有 真 实温度 梯 度 的 主镜 光 学 面形 变 化 。在 国内 ， 中 科 院长春 光机所 近 年来结 合课题 进行 了大 胆 的尝
“高分七号”卫星遥感相机可展开遮光罩的设计和实现
第41卷第2期航天返回与遥感2020年4月SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING67“高分七号”卫星遥感相机可展开遮光罩的设计和实现曹旭1,2江长虹1冯昊1孔见3徐彦4王立武1武士轻1（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 北京理工大学宇航学院，北京 100081）（3 南京理工大学材料科学与工程学院，南京 210094）（4 浙江大学航空航天学院，杭州 310027）摘要由于火箭整流罩空间有限，需要将“高分七号”卫星前视相机的遮光罩设计为可展开结构，为此设计了一种基于弹性结构的可展开遮光罩，能够实现在轨解锁后自动展开、遮挡太阳光，并满足在轨使用环境要求。
遮光罩质量2.6kg，折展比1︰6，应用了弹性豆荚杆展开驱动技术、耐空间环境多层复合薄膜技术、绳系锁紧解锁技术、杆系结构光电遥测技术，进行了展开驱动仿真研究，在遥感相机轻小型化自展开遮光罩设计方面取得了成功经验。
在轨运行结果表明，可展开遮光罩解锁后，展开到位、遥测正常，中国首次遥感相机可展开遮光罩在轨展开取得圆满成功，为相机可靠清晰成像提供了保障。
关键词可展开遮光罩弹性结构设计动力学仿真“高分七号”卫星中图分类号: V443+.5文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2020)02-0067-11DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2020.02.008Design and Implementation of the Deployable Sunshield on GF-7Satellite Remote Sensing CameraCAO Xu1,2 JIANG Changhong1FENG Hao1 KONG Jian3 XU Yan4 WANG Liwu1 WU Shiqing1（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China）（3 School of Material Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China）（4 School of Aeronautics and Astronautics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China）Abstract Due to the space limitation of the launch vehicle’s fairing, it is necessary to take the deployable configuration for the sunshield on China’s GF-7 satellite remote sensing camera. A deployable sunshield based on elastic booms which could self-deploy after unlocking on orbit was developed. The deployable sunshield whose weight was 2.6kg and folding ratio was about 1:6 could shade the sunlight from specified direction on orbit and meet the harsh requirements of space environments, such as vacuum, ultraviolet, atomic oxygen and temperature cycles, etc. Several problems were solved, such as deployment driving design, composite envelope, folding and unfolding, deployment telemetry and deployment dynamic analysis, etc. China’s first on-orbit deploying test was successfully收稿日期：2019-12-23基金项目：国家重大科技专项工程引用格式：曹旭, 江长虹, 冯昊, 等. “高分七号”卫星遥感相机可展开遮光罩的设计和实现[J]. 航天返回与遥感, 2020, 41(2): 67-77.CAO Xu, JIANG Changhong, FENG Hao, et al. Design and Implementation of the Deployable Sunshield on GF-7 Satellite Remote Sensing Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(2): 67-77. (in Chinese)68航天返回与遥感2020年第41卷implemented by this deployable sunshield, which was necessary for GF-7 satellite camera taking high resolution pictures.Keywords deployable sunshield; elastic boom design; dynamic analysis; GF-7 satellite0引言合理设计遮光罩是空间遥感相机研制中特别重要的问题，设计时应结合相机光机系统，一般置于相机光线入口附近的承力结构处[1]。
轻型空间相机遮光罩组件的研制
ＣＩ ＲＳ Ｍ遮光罩组 件见 图 ｌ 图 ２ 它 由一个复 和 ， 合材料圆筒和 ３ 内光栅组成。最上面的顶板由钛 个
（ 北京空间机 电研究所
摘
要
文章介绍 了空间遥感相机遮光罩的结构特 点及其功能。重点介绍 了一种用于可见 一红外光
空间相机 遮光 罩 研 制
谱仪上的轻型遮光罩， 该仪器安装于 ２０ 年美国发射的火星勘测轨道飞行器（ Ｒ ） ０５ Ｍ ０ 上。
关 键词
Ｓ ｅ ｇＬ ｉ Ｃ ｅ ｉｇ Ｓ ｎ Ｄ ｎ ｈ ａ ｈ ｎ ｅ ｈ ｎＰｎ ｕ ｏ ｇ ｕ
遮光罩既能遮挡部分地气光和除地气光之外 的 其它杂光进入窗 口玻璃和相机镜头 中， 又可利用遮
光罩长度和遮光罩 内的光栅及 表面材料特性 ， 最大
霍普金斯 大学应用 物理学实 验室 （ ＰＪ Ａ Ｉ 设计 和制 ） 造， 用于寻找火星上水沉积物 的证据和绘制火星表
面地质和矿物 图。Ｃ Ｉ ＲＳ Ｍ遮光罩的结构形式为 内部 嵌有多个光栅 的圆筒 ， 遮光罩组件由高热导率、 高模 量的沥青基碳纤维复合材料制成。文章简要介绍该 轻型遮光罩的研制情况。
４ ２
盛磊等 ： 轻型空 间相机 遮光罩组件的研制
２ 结构设计
ＣＩ ＲＳ Ｍ遮光罩组件所处的环境条件远比大多数
航天器要复杂。Ｃ ＩＭ仪器和相连的遮光罩组件 的 ＲＳ 刚度要求是必须能够经受 ３ 的准静载荷 ， ０ｇ 因此要
求其 固有频率要大于 ８ ｚ Ｒ ０Ｈ 。Ｍ Ｏ航天器进入火星
（ 铝蜂窝或 Ｎｍ ｘ ｏ ｅ 蜂窝等 ）在裸露蜂窝的表面喷涂 ， 无光黑漆， 以确保在相机工作谱段范围内， 吸收系数
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第34卷第2期2008年3月光学技术OPT ICAL T ECHN IQU EVol.34No.2M ar.2008文章编号:1002-1582(2008)02-0305-03空间光学遥感器遮光罩结构方案选择X陈立恒1,2,吴清文1,葛任伟1,2,颜昌翔1,李泽学1,2,訾克明1,2(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,长春130033;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:利用有限元工程分析技术对空间光学遥感器的遮光罩结构方案进行了选择。
应用M SC.Patr an/Nastran软件对遮光罩进行了模态分析,应用T M G软件对遮光罩进行了热分析。
根据模态分析和热分析的结果对遮光罩材料的铺层方式、遮光罩的结构形式和遮光罩的长度进行了优选。
结果表明,[-45b/90b/45b/0b]s交叉对称铺层方式、一条轴向筋和1mm厚度、200mm长度的四棱台式遮光罩的结构方案是合理可行的。
其结果为遮光罩的结构设计提供了必要的指导。
关键词:空间光学;遮光罩;模态分析;热分析;结构设计中图分类号:T P7;O439文献标识码:AStructure scheme selection of baffle for space optical remote sensor CHEN L-i heng1,2,WU Qin g-wen1,GE Ren-wei1,2,YAN Chang-xiang1,LI Ze-xue1,2,ZI Ke-ming1,2(1.Changchun Institute of Opt ics,Fine M echanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China)(2.Gr aduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)Abstract:T he structure scheme of baffle for space optical r emote sensor is selected by means of finite element method.T he modal analysis is conducted w ith M SC.Patran/N astran code.T he thermal analysis is dealt with the T M G code.According to the results of modal analysis and ther mal analysis,t he material.s laying w ay o f baffle,and the length of baffle are selected.T he results indicate that tentative desig n is reasonable and feasible.T he mater ial.s lay ing w ay of the baffle i s[-45b/90b/45b/0b]s. T he thickness of the4-edge conic baffle is1mm,and its length is200mm.I t is w ith one ax ial rib.A necessary guidance is pre-sented for the design of the baffle of space optical r emote sensor.Key words:space o ptics;baffle;modal analysis;thermal analysis;structural desig n1引言杂散光抑制已成为空间光学工程的关键技术之一,而外遮光罩则是对杂散光进行有效抑制的关键。
它可对来自太阳、月亮或反射太阳光的地球的杂散光进行直观和有效的抑制,可保证较高的信噪比。
遮光罩的工作环境对遮光罩提出了多方面的要求,不仅要求其具有非常高的可靠性,而且还必须做到轻量化[1)3]。
高的可靠性要求其结构具有很高的强度和刚度,从某种角度上而言,该要求将导致遮光罩的质量增加,这与轻量化的要求相矛盾。
因此对外遮光罩的不同结构方案进行优选是非常必要的。
有限元分析技术是遮光罩结构方案选择的重要手段,是一种非常有效的数值方法,可设计出人们期望的工程结果,帮助人们用最快的速度、较少的试验次数、较低的成本实现研究的目标[4)8]。
有限元工程分析是空间光学遥感器研制工作的重要组成部分,这项工作对空间光学遥感器是否能满足设计要求、达到设计性能指标及最终能否在轨正常工作都具有非常重要的意义。
在空间光学遥感器结构设计中,用模态分析法进行了结构系统动力学特性的研究,用热分析技术进行了空间环境的热仿真分析和热影响分析的研究。
本文通过遮光罩的模态分析计算和热分析计算,分别对遮光罩材料的铺层方式、遮光罩的结构形式和遮光罩的几何参数即遮光罩的长度进行了优选,其分析结果为遮光罩的结构设计提供了很好的指导作用。
2材料铺层方式的选择遮光罩拟采用碳纤维复合材料,因为碳纤维复合材料具有质轻、高强度、高刚性,尤其是有非常低的热膨胀系数等一系列优异性能,特别适用于空间305X收稿日期:2007-04-03;收到修改稿日期:2007-05-22E-mail:chenliheng@作者简介:陈立恒(1979-),男,吉林省人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生,主要从事CAD/CAE技术应用和传热技术方面的研究。
结构。
铺层设计是复合材料设计特有的工作内容,铺层设计的优劣对遮光罩的整体设计有一定的影响,因此有必要对其铺层方式进行优选。
铺层设计主要包括:选取合适的铺层角,确定各种铺层角的铺层百分比和铺层顺序等。
铺层设计的一般原则是[9)11]:(1)面板结构应采用均衡对称铺层,以避免耦合引起的翘曲。
(2)在面板的铺层结构中,任一铺层角的铺层,其最小百分比应大于或等于6%~10%。
图1 遮光罩有限元模型(3)同一铺层角的铺层不宜过多集中在一起,超过四层容易分层。
有限元模型如图1所示。
遮光罩的厚度为1mm,模型分4层均匀铺层,单层厚度为0.25mm,在M SC.Patran中进行前处理,并提交到MSC.Nastran 中进行求解,所得到的不同铺层方式的固有频率数值如表1所示。
表1 不同铺层方式的前6阶固有频率(单位为Hz)铺层方式f 1f 2f 3f 4f 5f 6[-30b /30b /-30b /30b ]s 234.9240.7293.8319.3461.9549.2[30b /-30b /30b /-30b ]s 234.9240.7293.8319.3461.9549.2[-45b /45b /-45b /45b ]s 243.9290.9296.9315.6488.8518.5[45b /-45b /45b /-45b ]s 243.9290.9296.9315.6488.8518.5[-60b /60b /-60b /60b ]s 229.9267.2355.6423.8500.8546.3[60b /-60b /60b /-60b ]s 229.8267.3355.6423.8500.8546.3[-90b /90b /-90b /90b ]s 190.1222.3334.1339.2342.5351.9[90b /-90b /90b /-90b ]s 190.1222.3334.1339.2342.5351.9[0b /45b /90b /-45b ]s 272.6303.7379.5512.9525.3676.3[45b /0b /-45b /90b ]s 231.0268.0363.8426.9468.9475.9[-45b /90b /45b /0b ]s 279.7308.7390.8525.3541.8684.9[90b /45b /0b /-45b ]s234.2270.9370.1432.3469.7480.2注:每一铺层的方向用纤维与x 轴的夹角表示,彼此间用/分开,全部铺层用[]括上。
其下角s 表示对称铺层。
从表1的数据可以看出,在不同铺层方式下,计算所得的遮光罩的固有频率差别较大,[-90b /90b /-90b /90b ]s 和[90b /-90b /90b /-90b ]s 的铺层方式的固有频率最低,而[0b /45b /90b /-45b ]s 和[-45b /90b /45b /0b ]s 的交叉对称铺层方式的遮光罩的固有频率相差不多且较高,其中[-45b /90b /45b /0b ]s 的固有频率最高,而系统的固有频率正比于系统的刚度,固有频率越高意味着外界激励频率越难与其相等,使得发生共振的可能性减少,因而采用了[-45b /90b /45b /0b ]s 的交叉对称铺层方式。
3 遮光罩结构形式的选择外遮光罩由壳体、轴向筋、周向筋及连接法兰等组成。
一般的遮光罩是固定式结构或在固定段结构之外附加有加长段[1]。
这里采用固定式结构,如图图2 遮光罩的几何模型2所示,通过带有螺纹孔的法兰与空间光学遥感器接口进行连接。
为了对遮光罩的不同结构形式的结构进行选择,通过分别改变遮光罩长边的轴向筋的个数和遮光罩的厚度来得到四种结构方案,如表2所示。
表2 遮光罩的结构方案方案轴向筋的个数遮光罩的厚度/mmA 21.5B 21C 11.5D11将以上四种方案的几何模型通过数据接口导入到M SC.Patran 中进行前处理,在前面所确定的材料的铺层方式下,提交到M SC.Nastran 中进行求解,模态分析的结果如表3所示。
表3 不同方案的前6阶固有频率(单位为Hz)方案f 1f 2f 3f 4f 5f 6A 429.6449.6482.2544.8852.8873.9B 309.4313.0394.6534.9582.7757.1C 390.1446.9474.3547.2777.9855.9D279.7308.7390.8525.3541.8684.9从表中可以看出,几种方案遮光罩的固有频率远高于空间光学遥感器的固有频率,但从加工的难易程度和轻量化的角度考虑,应优先考虑方案D 。
图3为方案D 的遮光罩的前3阶振型。
其中:一阶振型为长边摆动;二阶振型为短边摆动;三阶振型为对角相向变形。
4 遮光罩长度的选择外遮光罩的温度状态直接影响空间光学遥感器的第一光学表面,使之产生温度梯度,而温度梯度的存在,不仅使玻璃材料的折射率发生变化,而且还会因不均匀热膨胀而导致光学元件面形发生变化。