空间遥感相机轻型探测器组件粘接方法研究

对于小尺寸的空间遥感相机轻型探测器,为避免机械固定引入的装配应力对探测器感光面面形造成的影响,设计了一种轻型探测器粘接方法,计算胶层厚度减小粘接应力,保证粘接后的结构强度。首先,根据探测器组件工作环境选用合适的粘接剂为GHJ-01光学环氧胶和GD414硅橡胶,然后,通过无热粘接方程确定粘接胶层厚度为0.2mm,并进行粘接面积计算,结合胶层参数制定了六种粘接方案;通过对探测器组件进行有限元仿真分析,计算了关键单元的变形情况,得到在温升工况下,探测器感光面面形变化低于0.0012mm的三种粘接方案;在经过随机振动和高低温热循环试验后,使用光学拼接仪和三坐标测量仪检测探测器拼接精度变化,对比试验结果得到最优粘接方案。最终检测结果表明,使用GD414硅橡胶粘接探测器底面和侧面,GHJ-01光学环氧胶顶部点胶的方案能够保证探测器组件在温升和力学振动条件下,保持面形精度优于0.0007mm,直线精度优于0.001mm。对于小尺寸轻型探测器,最终优选的粘接方案能够满足粘接结构强度,符合探测器组件拼接精度要求。

空间相机焦面分光镜高精度装调技术

大幅宽空间相机焦面通常采用多片探测器拼接的形式。本文针对光学拼接焦面的分光镜装调精度进行研究。通过分析分光镜的装配精度,建立数学模型,并进行分析。结果表明:该方法具有可行性,能确保CCD与机械基准装配误差,解决其装配与电路板存在的应力问题。

具备调焦功能的空间光学载荷支撑结构设计(特邀)

由于空间环境变化,高分辨率空间光学载荷在轨会产生不同程度的离焦从而影响成像质量,因此需要进行在轨调焦。为了适应高分辨率、轻小型空间光学载荷发展需求,设计了一种集支撑功能、调焦功能为一体的结构,通过热控系统对支撑结构温度的精准控制来调整次镜组件在光轴方向的位置,从而使载荷具备调焦功能。首先,根据光学系统参数进行调焦精度分析,确定支撑结构的设计要求;然后,基于连续拓扑优化中的变密度法(SIMP)进行支撑结构的全局优化;最后,开展了热光学试验,验证支撑结构的热控调焦功能并测量热控调焦系数。试验结果表明:该光学载荷支撑结构热控调焦系数为0.071 mm/℃,可实现0.014 mm调焦精度和±0.385 mm调焦范围。基于该调焦方法设计的"吉林一号"高分03星已经完成在轨测试,调焦精度和调焦范围满足设计预期。

自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用

研究了制冷型红外离轴三反光学系统成像原理和优化设计方法。给出了一个应用自由曲面的制冷型离轴三反射镜光学系统的设计。系统采用两个自由曲面反射镜和一个偶次非球面反射镜组成二次成像的结构形式,将制冷型红外探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率。第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,显著减小第一反射镜的口径。通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用自由曲面增大视场、校正像差、保证系统的成像质量。该系统的工作波段为3~5μm,焦距为450 mm,F数为2,视场为3.662°×2.931°,各视场的调制传递函数在环境温度为-40~60℃的范围内均高于0.5,实现系统的无热化,并且结构紧凑。

微纳卫星高分辨视频相机光机结构设计与试验(特邀)

针对20 kg级微纳光学遥感卫星微型化视频相机要求,详述了其光机系统的设计、装调和试验,以及所使用的集成优化设计技术。该相机采用卡塞格林结合校正镜的光学系统,包括两个反射镜和一个校正镜组,为了获得最优的力热稳定性,反射镜采用了碳化硅材料。首先,基于20 kg级微纳视频卫星的任务及总体设计,提出了其所搭载的视频相机的指标要求;然后,分别介绍了该视频相机光学和光机结构系统;为了进一步提高轻量化率,在满足光学性能要求的同时,利用光机集成优化方法进行了轻量化设计,优化后光机系统质量仅3.03 kg,整机质量仅4.76 kg,一阶基频120 Hz以上;最后,开展了系统装调和地面力学摸底试验,试验结果表明其动力学性能和稳定性良好。

空间相机波像差灵敏度及集成仿真方法

针对一种空间相机新型单杆主承力结构,采用波像差灵敏度模型和集成仿真分析两种方法,实现光机结构轻量化设计过程中的系统波像差评价,以保证在力学条件下的成像质量。所提出的波像差灵敏度方法能够基于波像差与失调量的线性关系进行构建,对于以相机成像质量为约束条件指导光机结构的优化设计具有重要意义。首先,基于光学系统的失调原理,推导了光学元件失调量与系统波像差的灵敏度模型。然后,采用有限元方法获取力学工况下的节点位移量,并基于最佳拟合(bestfit)方法计算主、次镜的失调量,对失调后的系统进行光学分析得到系统的波像差。最后,针对5 kg级空间光学相机,采用所提出的两种方法进行了建模与分析,并开展了相应的重力工况分析与试验。灵敏度分析方法相对于光机集成软件仿真方法误差为16.8%,所提出的方法能够应用于设计阶段对系统成像性能的快速评估。

背部支撑型空间反射镜镶嵌件粘接结构设计

基于不同的边界条件,建立了针对带锥度盲孔的空间相机反射镜组件胶层厚度的计算模型,利用力学模型计算粘接处符合设计要求的胶层厚度范围。通过建立的有限元模型,计算并拟合得到相应的胶层厚度-应力曲线,得出最优的胶层厚度为0.055mm。为了检验粘接结构的面形精度,进行了自重、温升条件下的反射镜组件镜面变化的模拟分析,采用温度载荷法模拟实际固化后胶层收缩对镜面的影响,并进行组件试验。仿真和试验结果表明,胶层厚度在0.055mm时反射镜组件具有足够的抵抗外界温变、振动干扰的能力,满足设计要求。

一体式碳纤维次镜支撑结构设计

针对吉林一号某轻型空间遥感相机的任务需求,以碳纤维复合材料的薄壁筒与桁架杆一体式成型为设计思路,基于拓扑优化、尺寸优化以及铺层优化设计了一种高稳定性的次镜支撑结构。工程分析和实验结果表明一体式碳纤维次镜支撑结构具有较好的结构稳定性,整体质量仅为1.3 kg,其在轨成像质量良好,这进一步验证了一体式碳纤维次镜支撑结构的可靠性和设计方法的正确性。