国外长焦距高分辨率遥感相机桁架结构研究

    1 引言

    空间遥感对空间分辨率要求的提高使得长焦距、大口径遥感相机占据越来越主要的地位,传统的整体铸造框结构型式已难以满足此类相机小质量、高稳定性的设计要求。桁架结构以其变构件受弯曲载荷为拉压载荷形式的设计原理,有效地利用了材料承受拉压载荷的能力远大于承受弯曲载荷的特性,大大提高了相机结构的组合刚度;可采用标准的元件灵活组装,降低了制造加工难度;利用碳纤维复合材料等轻质、近乎零热胀系数的新型材料,可以获得很高的比刚度和很好的力学稳定性与热稳定性。桁架结构以其优良的空间性能,已经成为发展最快的一种空间结构型式,广泛应用于大型及超大型遥感相机的主承力结构、大口径高精度反射镜的支撑结构、空间可展开的反射镜支撑结构等领域。

    本文分析了国外长焦距、高分辨率遥感相机桁架结构设计技术的进展情况,研究了桁架结构的总体布局、接头设计、阻尼设计、消热设计等关键技术。研究成果可用于各种空间及地面相机的镜头结构设计,并可推广至其它需要小质量、高稳定性系统的结构设计。

    在近20年的时间内,大口径遥感相机的研制已获得令人瞩目的成就,在技术发展趋势上大致有以下几个特征:

    1)口径越来越大,地面相机已达到百米口径的量级;

    2)空间相机由于运载能力的限制,口径较小,但采用可展开结构及空间自动装配技术,也已达到10m至30m的口径;

    3)普遍采用了桁架结构,在控制质量、提高空间利用率、实现展开机构的设计及快速装配等方面,桁架结构体现出了独有的优势。

    由遥感相机的发展趋势分析可知,相机口径与焦距越来越大,光学性能要求也越来越高。由此带来的问题不仅是相机质量的增加,而且采用传统结构型式对铸造能力、加工能力的要求也大幅提高。光学性能指标的提高,要求大口径反射镜的支撑结构具有高支撑刚度、良好的动态特性、对温度不敏感且体积小、质量小等特点。在重力和工作温度作用下,相机结构应满足光学设计对镜面面形的要求,尽量减少结构对镜面带来的不良影响,这些要求也是传统的结构设计形式难以满足的。

    桁架结构简洁可靠、组装灵活、比刚度高、可设计性强,在遥感相机结构中逐渐占据了重要的地位。随着碳纤维复合材料技术的发展,结合桁架的构型设计可以实现相机结构的消热设计,获得很高的热稳定性。桁架接头采用特殊设计,可以实现桁架装配时的校准调整,以及结构的阻尼减振。因此,桁架结构在遥感相机的镜筒结构、大口径反射镜支撑结构、可展开结构、相机安装结构等方面都逐渐得到了广泛的应用。