星载低温光学系统热控设计与飞行验证

星载长波红外相机工作时需要将整个光学系统的温度降低至-20℃以下,以减少背景红外辐射的影响。在弱导热连接结构设计的基础上,研制了Ω型柔性遮阳装置,通过直接辐冷方式实现了光学系统的低温设计;研制了鸟笼式三维导热带,实现了主镜筒的均温设计。作为国内首个在空间领域应用的低温光学系统随实践九号B星进行了在轨飞行试验,结果表明,整个光学系统温度可长期保持在-35℃~-20℃,主镜筒圆周温度差小于4℃。该热控设计方法简单有效,可以为类似星载红外光学系统的热设计提供参考。

航天器可展开薄膜遮光罩的构型设计与优化

针对当前航天器遮光罩轻量化的需求,在保证薄膜遮光罩有效面积不变的前提下,根据质量和有效面积占比设计了一款柔性平面薄膜遮光罩。以提高薄膜边缘应力的同时尽量避免有效圆面积占比减少为优化目标,对薄膜遮光罩的边缘做弧边优化设计。结果表明,当薄膜遮光罩为正六边形时,既能保证结构对称性,又能获得较低的单位有效面积占比对应质量。通过应力叠加法建立了薄膜遮光罩的应力分布模型,求出薄膜边缘应力的理论计算值。探究了弧边拱高的增加对薄膜边缘应力和有效圆面积占比的影响规律,当二者的函数曲线相交于一点时,可取为薄膜弧边的最优拱高。根据设计的薄膜遮光罩参数,搭建薄膜遮光罩的试验样机并进行展开试验。薄膜遮光罩可完全展开,薄膜边缘张紧度高,证明了薄膜遮光罩系统方案设计的可靠性,弧边设计可有效提高薄膜边缘的应力水平。

基于折纸的大型空间薄膜遮阳结构设计与分析

提出了一种轻质、展开顺畅、收纳比高且不需要额外驱动动力的新型自展开薄膜遮阳结构。利用4根等长的带状弹簧驱动叶内环绕折叠的聚酰亚胺薄膜,并计算了收纳比。为了防止薄膜在展开过程中出现钩挂和破损的问题,对薄膜展开的轨迹、薄膜的应力分布以及带状弹簧骨架的模态分布进行了有限元仿真,并制作了测试样机以验证设计的可行性。结果显示,利用带状弹簧驱动薄膜展开,展开过程顺利,带状弹簧展开时的冲击不会造成薄膜损伤,薄膜折痕处的最大应力约为42.3 MPa,低于材料的许用应力,且收纳比达到了69.4。

可展开遮阳罩技术研究进展及其关键科学问题

可展开遮阳罩一般是由多层轻质柔性高精度无褶皱薄膜和展开支撑臂及其控制装置组成,在轨后展开支撑臂有序展开多层大面积薄膜实现光控制和热控制性能,能有效改善和防护空间航天器。针对可展开遮阳罩结构,依据一维轴向、二维平面与三维周向的展开方式分类总结国内外可展开遮阳罩技术的研究进展,并对不同遮阳罩结构形状、薄膜材料、层数与展开方式等进行对比分析;梳理出遮阳罩在杂光抑制、折叠与展开变形机理、极端环境下薄膜多场耦合、低温热控、太阳辐射光压力矩及其计算方法等方面的关键科学问题,并给出了中国研究遮阳罩的发展建议。

“高分七号”卫星遥感相机可展开遮光罩的设计和实现

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。

新型充气展开遮光罩设计方案研究和仿真分析

设计一种充气展开遮光罩结构,实现径向和轴向依次展开。提出遮光罩的结构方案、折叠方式和结构中各组件合适的材料,使得结构展开状态和折叠状态分别能够达到一定的尺寸要求。文章还对充气展开遮光罩进行静力分析和展开过程仿真,仿真分析结果表明,遮光罩能够顺利展开,遮光罩壁保持理想的工作表面。

航天器可展开薄膜遮光罩机械设计的发展与展望

从可展开薄膜遮光罩的几何构型、展开驱动技术、薄膜折痕设计和薄膜褶皱动力学分析四个方面论述了航天器可展开薄膜遮光罩机械设计的发展现状和特点,在分析比较的基础上对可展开薄膜遮光罩机械设计的发展趋势进行了展望,旨在为航天器可展开薄膜遮光罩的创新发展提供参考。

展开式薄膜遮光罩设计及重复展开精度研究

针对星敏感器的杂光抑制需求,设计了一种可以实现轴向展开的圆柱状展开式薄膜遮光罩,包括充气支撑管、薄膜蒙皮和挡光环,并完成了各构件的结构和材料设计。建立了薄膜蒙皮的运动学模型,分析了构型随着二面角的变化情况,验证了薄膜蒙皮采用hexagonal折纸样式可以完全折叠和展开。通过试验研究了遮光罩的重复展开精度,包括轴向和径向展开精度等。研制了遮光罩原理样机,并开展了地面展开试验,表明在充气支撑管的驱动下能够顺利展开,为大尺寸遮光罩的工程应用提供了新的技术方案。

超大口径在轨组装红外望远镜遮阳罩热设计

超大口径在轨组装红外望远镜体积大、工作温度低,各组装模块间存在相互干扰,传统热控手段不能完全满足其热控需求。为达到热控指标,分析、利用日地-L2点轨道外部热环境特性,设计了一个面向超大口径在轨组装红外望远镜的五层遮阳罩。使用UG软件建立了该望远镜有限元模型,并进行了仿真分析。结果显示:来自太阳的1296W/m^2的热辐射经过遮阳罩的遮挡后,到达低温区的辐射强度降低到0.036 W/m^2,望远镜在遮阳罩展开后约210天时通过辐射被动制冷降温至50 K以下,满足热控需求。该设计为未来我国建造超大口径空间望远镜进行了热控技术探索,具有一定的参考价值。

空间可展开薄膜遮光罩设计与分析

对于觅音计划的光学系统而言,太阳光是其杂散光的首要来源,是影响成像质量的重要因素。通过将仿生技术和折纸理论相结合,完成光学系统的遮光罩设计。依据花朵开放过程,获取遮光罩的拓扑构型,完成遮光罩折展设计,并根据光学系统任务需求,优化遮光罩拓扑构型。采用底面为正六边形的拓扑构型时,遮光罩的折展比为8,且折叠后的包络空间和卫星星体所占用的空间相重合,能够更好地利用空间。选用两层薄膜作为遮光结构,一方面提高了遮光性能,另一方面遮光罩本身具有一定的隔热功能,更好地保护了光学系统。最后通过ABAQUS仿真模拟薄膜的展开过程,并进行应力水平分析。结果表明,遮光罩薄膜展开过程顺利,展开后最大应力为40.63 MPa,满足聚酰亚胺薄膜材料的使用要求。

静轨空间遥感器反射式光栏数值研究

受地球静止轨道上的空间外热流影响,空间低温光学系统的传统遮光罩极易产生极端高温现象,该现象产生的高温红外辐射是空间低温光学系统内部背景辐射的主要来源。文章针对上述问题进行研究,利用反射式光栏遮光罩取代传统的遮光罩,在保留消除杂散光能力的同时,优化遮光罩的控温特性,使其处于较低的温度水平,降低光机系统的背景辐射。文章给出了基于椭球曲线和椭球-双曲曲线设计的两种反射式光栏的设计方案,针对地球静止轨道热环境及空间遥感器入光口的特点,建立了考虑加工精度和粗糙度的传统遮光罩和两种反射式遮光罩的仿真分析模型,并分析了不同时刻、不同光栏设计方案的遮光罩控温特性及背景辐射分布情况,为工程化应用提供参考。结果表明,椭圆双曲遮光罩具有更好的控温特性,但过高的粗糙度会产生杂散光,影响镜片温度。

大型空间薄膜遮阳罩折展构型设计与分析

将折纸技术应用于空间薄膜结构构型设计并在展开全过程进行应力优化,设计折纸型充气管结构组合使用,完成大型空间薄膜遮阳罩折展构型设计。基于光学系统遮阳需求,采用杆系等效方法分析了两种薄膜折痕方案折展过程中的应力改变水平,并进行了遮阳罩薄膜结构的参数设计。考虑到充气管与薄膜结构的点连接和同步折展问题,采用单顶点六折痕模式改进了传统的Z字型充气管设计方案并进行了通气性能分析。采用ANSYS/LS-DYNA仿真计算了薄膜结构和充气管结构的展开全过程,并进行了应力水平和气压分析,最终通过样机模型进行了展开试验验证。结果表明,组合采用改进薄膜折痕方案和改进Z字型充气管方案,大型空间薄膜遮阳罩的展开路径明确,收纳比高且不会造成遮阳薄膜损伤。