空间小型CCD相机的结构设计及动力学分析
|
摘要
利用搭载在航天器上的空间小型CCD相机进行空间对地观测,具有实时性好、自扫描、结构紧凑、速度快、视野广、覆盖范围大、不受领空限制等优点,越来越受到各个国家的广泛关注。伴随着小卫星的发展,越来越多的国家加入研发空间小型CCD相机的行列。本文研究的CCD相机从出厂后经运输、发射、入轨、轨道运行等过程,其所经受环境的复杂性和多样性是其它产品不能比拟的。因此在恶劣的振动力学环境下,如何使CCD相机的结构设计满足质量轻,光学元件的位置精度高以及结构件刚度、强度合理,性能稳定的要求,是本论文研究的关键内容。
围绕该相机设计的技术要求,本文在相机的结构设计过程中完成了以下工作:1)通过对星载相机常用材料的性能分析比较,科学的完成部件结构的轻量化设计;2)应用有限元分析方法,借助结构动力学基本理论,对相机关键部件——镜筒和相机与卫星的连接件——转接环进行了力学分析,针对分析结果提出了改进建议。在该相机精确CAD模型的基础上,对CCD相机进行了简化造型,利用简化的模型建立了整机的有限元模型,完成了该相机结构动特性的分析计算。主要工作包括:1)对相机结构进行适当的简化,并建立了整机的有限元模型;2)完成该相机在自重及过载下的准静态分析,得出相应的变形和应力值;3)完成该相机的模态分析,得出相应的固有频率和振型;4)完成该相机鉴定级正弦振动的响应计算,得出相应的响应曲线和加速度响应最大值以及所发生的频率;5)完成该相机鉴定级随机振动的响应计算,得出相应的响应曲线和加速度响应最大值以及所发生的频率。
研究结果表明:1)对于本文研究的相机,其结构设计重量满足设计要求;2)改进后的镜筒和转接环有更好的刚度和强度,能够更好的保证光学元件的稳定和相机的成像质量;3)CCD相机的基频较高,发射时不会与卫星的振动频率耦合而产生共振;4)通过准静态分析和动力学分析(正弦振动和随机振动),表明相机的强度较大,在试验要求的频率范围内响应较小,性能稳定,能够抵抗空间振动力学环境载荷的影响。
The space miniature CCD camera, which is equipped on the artificial satellite, can be used to observe the earth. Because of the advantages of real-time, self-scanned, compact-structure, fast-speed, wild-view and non-airspace-limit, this camera has been paid widespread attention to of many countries. It has remarkable social and economic benefit. Accompanying with the development of the moonlet, more and more countries join the research and development ranks of CCD camera. Compared with other CCD camera, the camera studied in this paper can adapt with many complicated environment during the transportation, launching, injection and orbital motion. So, in the condition of vibrant environment, the structural design of CCD camera and its position precision is becoming the key task in this paper.
Regarding this camera design's specification, this paper has completed the following work in camera's structural design process. 1) By analysis the materials performance of the camera, the job of lightweight design of the component had been done. 2) With the finite element analysis method and the structure dynamics theory, the modal analysis has been carried on the lens cone and bridge piece. Then, the improvement suggestion is proposed. The simplified CCD model has been carried on the base of the precise CAD model. Afterword, the FEA model of whole mechanism has been established. Then the structure dynamic characteristic analysis has been computed. The main research works in this paper are listed as followings: 1) establish the FEA model on the base of some principles; 2) achieve the value of deformation and stress according to the static analysis of dead load and over loading; 3) achieve the value of inherence frequency and modal shapes according to the modal analysis; 4) achieve the response curve, the max value of acceleration and the relevant frequency according to the responsive computation of sinusoidal vibration on appraisal grade; 5) achieve the response curve, the max value of acceleration and the relevant frequency according to the responsive computation of random vibration on appraisal grade.
The result indicates: 1)the design of structure and weight of the camera, which studies regarding this paper, can reach the request of operating condition; 2)after the improvement of the lens cone and the bridge piece, the camera has a better dynamic stiffness and intensity to guarantee the imaging quality; 3)resonating possibility can be avoided because the fundamental frequency of the camera is much higher than the vibrational frequency of the satellite; 4)the results of the static and dynamics analysis indicate that this camera can resist the influence of the vibration in spatial environment, because the intensity and the range of frequency responds is accepted in the experimental request.
围绕该相机设计的技术要求,本文在相机的结构设计过程中完成了以下工作:1)通过对星载相机常用材料的性能分析比较,科学的完成部件结构的轻量化设计;2)应用有限元分析方法,借助结构动力学基本理论,对相机关键部件——镜筒和相机与卫星的连接件——转接环进行了力学分析,针对分析结果提出了改进建议。在该相机精确CAD模型的基础上,对CCD相机进行了简化造型,利用简化的模型建立了整机的有限元模型,完成了该相机结构动特性的分析计算。主要工作包括:1)对相机结构进行适当的简化,并建立了整机的有限元模型;2)完成该相机在自重及过载下的准静态分析,得出相应的变形和应力值;3)完成该相机的模态分析,得出相应的固有频率和振型;4)完成该相机鉴定级正弦振动的响应计算,得出相应的响应曲线和加速度响应最大值以及所发生的频率;5)完成该相机鉴定级随机振动的响应计算,得出相应的响应曲线和加速度响应最大值以及所发生的频率。
研究结果表明:1)对于本文研究的相机,其结构设计重量满足设计要求;2)改进后的镜筒和转接环有更好的刚度和强度,能够更好的保证光学元件的稳定和相机的成像质量;3)CCD相机的基频较高,发射时不会与卫星的振动频率耦合而产生共振;4)通过准静态分析和动力学分析(正弦振动和随机振动),表明相机的强度较大,在试验要求的频率范围内响应较小,性能稳定,能够抵抗空间振动力学环境载荷的影响。
The space miniature CCD camera, which is equipped on the artificial satellite, can be used to observe the earth. Because of the advantages of real-time, self-scanned, compact-structure, fast-speed, wild-view and non-airspace-limit, this camera has been paid widespread attention to of many countries. It has remarkable social and economic benefit. Accompanying with the development of the moonlet, more and more countries join the research and development ranks of CCD camera. Compared with other CCD camera, the camera studied in this paper can adapt with many complicated environment during the transportation, launching, injection and orbital motion. So, in the condition of vibrant environment, the structural design of CCD camera and its position precision is becoming the key task in this paper.
Regarding this camera design's specification, this paper has completed the following work in camera's structural design process. 1) By analysis the materials performance of the camera, the job of lightweight design of the component had been done. 2) With the finite element analysis method and the structure dynamics theory, the modal analysis has been carried on the lens cone and bridge piece. Then, the improvement suggestion is proposed. The simplified CCD model has been carried on the base of the precise CAD model. Afterword, the FEA model of whole mechanism has been established. Then the structure dynamic characteristic analysis has been computed. The main research works in this paper are listed as followings: 1) establish the FEA model on the base of some principles; 2) achieve the value of deformation and stress according to the static analysis of dead load and over loading; 3) achieve the value of inherence frequency and modal shapes according to the modal analysis; 4) achieve the response curve, the max value of acceleration and the relevant frequency according to the responsive computation of sinusoidal vibration on appraisal grade; 5) achieve the response curve, the max value of acceleration and the relevant frequency according to the responsive computation of random vibration on appraisal grade.
The result indicates: 1)the design of structure and weight of the camera, which studies regarding this paper, can reach the request of operating condition; 2)after the improvement of the lens cone and the bridge piece, the camera has a better dynamic stiffness and intensity to guarantee the imaging quality; 3)resonating possibility can be avoided because the fundamental frequency of the camera is much higher than the vibrational frequency of the satellite; 4)the results of the static and dynamics analysis indicate that this camera can resist the influence of the vibration in spatial environment, because the intensity and the range of frequency responds is accepted in the experimental request.
引文
[1] 王俊. 航天光学成像遥感器动态成像质量评价与优化[D]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2000. 1~121.
[2] 周卫国, 郭崇林, 王德禹. 轻型CCD相机有限元分析与设计[J]. 机械设计与制造, 2005, (10): 14~16.
[3] 刘磊. 空间光学遥感器轻型支撑结构研究[D]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2006.
[4] 刘宏伟. 基于有限元法的空间相机主镜设计[D]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2003. 1~47.
[5] Palazzo F. Long range E-O reconnaissance system and flight test result. 1985.
[6] 刘明, 修吉宏, 刘钢, 等. 国外航空侦察相机的发展[J]. 电光与控制, 2004, 11(01): 56~59.
[7] How es F D. ES-250 Reconnaissance Systems. SPIE , 1987, 833.
[8] 杨秉新. 国外航天侦察相机和测绘相机发展技术[J]. 航天返回与遥感, 1998, 19(2): 16~24.
[9] 焦斌亮, 王朝晖, 林可祥,等. 星载多光谱CCD相机研究[J]. 仪器仪表学报, 2004, 25(02): 146~148.
[10] 郝云彩, 王丽霞. 轻型CCD相机[J]. 航天返回与遥感, 1997, 18(1): 38~44.
[11] 王金堂, 乌崇德. 国外几种星载光学遥感器的发展情况简介[J]. 航天返回与遥感, 2002, 23(2): 15~20.
[12] 焦亮斌. 星载小型CCD相机发展现状与趋势[J]. 空间电子技术, 1995, (4): 34.
[13] 顾先冰, 司群英. 国内外遥感卫星发展现状[J]. 航天返回与遥感, 2000, 21(2): 29~33.
[14] 杨秉新. 美国IKONOS和QuickBird2卫星相机的主要性能和特点分析及看法[J]. 航天返回与遥感, 2002, 23(04): 14~16.
[15] 郝云彩, 杨秉新. 长焦距TDICCD遥感器光学系统的特点和发展趋势[J]. 航天返回与遥感, 1999, 20(1):13~19.
[16] 陈宜元. 中巴地球资源卫星[J]. 中国工程科学, 2001, 3(3): 9~15.
[17] 杨秉新. TDICCD在航天遥感器中的应用[J]. 大连理工大学学报, 1997, 37: 15~18.
[18] 曹东晶, 孙继文, 杨保宁. 宽覆盖多光谱CCD相机模装及模态分析[J]. 航天返回与遥感, 2003, 24(04): 5~9.
[19] 林德荦. CBERS-1卫星CCD相机的研制[J]. 航天返回与遥感, 2001, 22(03): 4~8.
[20] 唐遵烈, 沈建宏. 小型可见光CCD相机的设计[J]. 半导体光电, 2005, 26(21): 134~136.
[21] 韦晓孝. 空间小型长焦相机的光机结构设计及动力学分析[D]. 苏州大学, 2007. 75.
[22] 卢锷. 光学仪器结构动态分析设计方法探讨[J]. 光学精密工程, 1997, (6): 49~53.
[23] 魏铭炎. Wyle实验室-美国国家级环境实验机构[J]. 环境技术, 2001, 19(1) : 4~6.
[24] L.W.Hadge, J.A.Breakwell. Space Optical system active vibration suppression. Proc SPIE, 1987, (748): 121~130.
[25] Alson E.Hatheway. An overview of finite element method of optical system. SPIE, 1991, (2~4).
[26] Mark Stier, Robert Crouta.. Telescope Design for the Infrared Telescope Technology Testbed. Part of the SPIE Conference on Snace Telescopes and Instruments, SPIE, 1998, 3356(5): 712~726.
[27] H.C.Schau, D.J.Garrood. Alternate Designs and Restoration for Tomographic Imaging Spectrometers.Algorithms and Technologies for Multispectral,Hyperspectral Imagery IX. Proceeding of SPIE, 2003, (5093): 114~125.
[28] 蒋军亮, 成竹. 飞机典型结构件加速环境试验研究[J]. 结构强度研究, 2003, (1) : 45~51.
[29] 曹琦. 飞机结构件振动环境试验技术初探[J]. 应用力学学报, 2001, (2):39~42.
[30] 赵鹏, 杨牧, 张葆. 航空机载光学设备的振动分析及座架减震器的设计[J]. 光学精密工程, 1997, 5(3):58~63.
[31] 卢锷, 焦岩. 光学仪器结构动态分析设计方法探讨[J]. 光学精密工程, 1997, 5(6) 49~53.
[32] 杨洪波. 空间遥感器动力学环境计算机仿真[J]. 光学精密工程, 1998, 6(6): 39~44.
[33] 王建设. 空间光学组件的动力学环境试验[J]. 2001, 9(2): 174~176.
[34] 牛晓明. CAE技术在空间相机光机结构设计中的应用[J]. 光学精密工程, 1999, 7(06): 23~29.
[35] 宋朝晖, 吴清文, 卢锷. 非球面长圆状反射镜支撑结构的工程分析[J]. 光学精密工程, 1999, 7(6): 56~60.
[36] 孙纪文, 傅丹鹰, 凌纬, 等. 轻型空间CCD相机模态分析及结构建模方法研究[J]. 航天返回与遥感, 2001, 22(04): 46~51.
[37] 吴清文, 杨洪波, 杨近松, 等. 空间相机中主镜及其支撑方案设计与分析方法[J].光学技术, 2004, 30(02): 153~156.
[38] 张军, 谌勇, 张志谊, 等. 卫星随机试验的振动响应分析[J]. 机械强度, 2006, 28(1): 16~19.
[39] 杨近松, 陈长征, 杨晓宇, 等. 基于动态子结构技术的空间相机谱响应分析[J]. 光学精密工程, 2003, 4(11) : 34~37.
[40] 王延风, 卢锷, 宋文荣, 等. 空间相机的结构动力学分析[J]. 光学精密工程, 2003, 4(4): 50~55.
[41] 陈务军, 关富玲, 董石麟. 空间展开折叠桁架结构动力学分析研究[J]. 计算力学学报, 2000, 17(4): 410~416.
[42] 张峰. NX Nastran基础分析指南[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.
[43] 郭乙木, 万力, 黄丹. 有限元法与MSC.Nastran软件的工程应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.
[44] Sui Yunkang, Yu Xin. The Topological Optimization for Truss Structures with Stress Constraints Based on the Exist-null Combined Model. Acta Mechanical Sinica, 1998, 14(4): 363~370.
[45] 隋允康, 杜家政, 彭细荣. MSC.Nastran有限元动力分析与优化设计实用教程[M]. 北京: 科学出版社, 2004.
[46] R.W.克拉夫, J.彭津. 结构动力学[M]. 北京: 科学出版社.
[47] 盛宏玉. 结构动力学[M]. 合肥: 合肥工业大学出版社, 2005.
[48] 胡海岩, 孙久厚, 陈怀海. 机械振动与冲击[M]. 北京: 航空工业出版社, 2002.
[49] 尤春风. CATIA V5机械设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.
[50] 刘兵山, 黄聪, 等. Patran从入门到精通[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.
[51] 马爱军, 周传月, 王旭. Patran和Nastran有限元分析专业教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.
[52] 孙长任, 杜家政, 卢绪智, 等. MSC.Nastran应用实例教程[M]. 北京: 科学出版社, 2004.
[53] 张永昌. MSC.Nastran有限元分析理论基础与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2004.
[2] 周卫国, 郭崇林, 王德禹. 轻型CCD相机有限元分析与设计[J]. 机械设计与制造, 2005, (10): 14~16.
[3] 刘磊. 空间光学遥感器轻型支撑结构研究[D]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2006.
[4] 刘宏伟. 基于有限元法的空间相机主镜设计[D]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2003. 1~47.
[5] Palazzo F. Long range E-O reconnaissance system and flight test result. 1985.
[6] 刘明, 修吉宏, 刘钢, 等. 国外航空侦察相机的发展[J]. 电光与控制, 2004, 11(01): 56~59.
[7] How es F D. ES-250 Reconnaissance Systems. SPIE , 1987, 833.
[8] 杨秉新. 国外航天侦察相机和测绘相机发展技术[J]. 航天返回与遥感, 1998, 19(2): 16~24.
[9] 焦斌亮, 王朝晖, 林可祥,等. 星载多光谱CCD相机研究[J]. 仪器仪表学报, 2004, 25(02): 146~148.
[10] 郝云彩, 王丽霞. 轻型CCD相机[J]. 航天返回与遥感, 1997, 18(1): 38~44.
[11] 王金堂, 乌崇德. 国外几种星载光学遥感器的发展情况简介[J]. 航天返回与遥感, 2002, 23(2): 15~20.
[12] 焦亮斌. 星载小型CCD相机发展现状与趋势[J]. 空间电子技术, 1995, (4): 34.
[13] 顾先冰, 司群英. 国内外遥感卫星发展现状[J]. 航天返回与遥感, 2000, 21(2): 29~33.
[14] 杨秉新. 美国IKONOS和QuickBird2卫星相机的主要性能和特点分析及看法[J]. 航天返回与遥感, 2002, 23(04): 14~16.
[15] 郝云彩, 杨秉新. 长焦距TDICCD遥感器光学系统的特点和发展趋势[J]. 航天返回与遥感, 1999, 20(1):13~19.
[16] 陈宜元. 中巴地球资源卫星[J]. 中国工程科学, 2001, 3(3): 9~15.
[17] 杨秉新. TDICCD在航天遥感器中的应用[J]. 大连理工大学学报, 1997, 37: 15~18.
[18] 曹东晶, 孙继文, 杨保宁. 宽覆盖多光谱CCD相机模装及模态分析[J]. 航天返回与遥感, 2003, 24(04): 5~9.
[19] 林德荦. CBERS-1卫星CCD相机的研制[J]. 航天返回与遥感, 2001, 22(03): 4~8.
[20] 唐遵烈, 沈建宏. 小型可见光CCD相机的设计[J]. 半导体光电, 2005, 26(21): 134~136.
[21] 韦晓孝. 空间小型长焦相机的光机结构设计及动力学分析[D]. 苏州大学, 2007. 75.
[22] 卢锷. 光学仪器结构动态分析设计方法探讨[J]. 光学精密工程, 1997, (6): 49~53.
[23] 魏铭炎. Wyle实验室-美国国家级环境实验机构[J]. 环境技术, 2001, 19(1) : 4~6.
[24] L.W.Hadge, J.A.Breakwell. Space Optical system active vibration suppression. Proc SPIE, 1987, (748): 121~130.
[25] Alson E.Hatheway. An overview of finite element method of optical system. SPIE, 1991, (2~4).
[26] Mark Stier, Robert Crouta.. Telescope Design for the Infrared Telescope Technology Testbed. Part of the SPIE Conference on Snace Telescopes and Instruments, SPIE, 1998, 3356(5): 712~726.
[27] H.C.Schau, D.J.Garrood. Alternate Designs and Restoration for Tomographic Imaging Spectrometers.Algorithms and Technologies for Multispectral,Hyperspectral Imagery IX. Proceeding of SPIE, 2003, (5093): 114~125.
[28] 蒋军亮, 成竹. 飞机典型结构件加速环境试验研究[J]. 结构强度研究, 2003, (1) : 45~51.
[29] 曹琦. 飞机结构件振动环境试验技术初探[J]. 应用力学学报, 2001, (2):39~42.
[30] 赵鹏, 杨牧, 张葆. 航空机载光学设备的振动分析及座架减震器的设计[J]. 光学精密工程, 1997, 5(3):58~63.
[31] 卢锷, 焦岩. 光学仪器结构动态分析设计方法探讨[J]. 光学精密工程, 1997, 5(6) 49~53.
[32] 杨洪波. 空间遥感器动力学环境计算机仿真[J]. 光学精密工程, 1998, 6(6): 39~44.
[33] 王建设. 空间光学组件的动力学环境试验[J]. 2001, 9(2): 174~176.
[34] 牛晓明. CAE技术在空间相机光机结构设计中的应用[J]. 光学精密工程, 1999, 7(06): 23~29.
[35] 宋朝晖, 吴清文, 卢锷. 非球面长圆状反射镜支撑结构的工程分析[J]. 光学精密工程, 1999, 7(6): 56~60.
[36] 孙纪文, 傅丹鹰, 凌纬, 等. 轻型空间CCD相机模态分析及结构建模方法研究[J]. 航天返回与遥感, 2001, 22(04): 46~51.
[37] 吴清文, 杨洪波, 杨近松, 等. 空间相机中主镜及其支撑方案设计与分析方法[J].光学技术, 2004, 30(02): 153~156.
[38] 张军, 谌勇, 张志谊, 等. 卫星随机试验的振动响应分析[J]. 机械强度, 2006, 28(1): 16~19.
[39] 杨近松, 陈长征, 杨晓宇, 等. 基于动态子结构技术的空间相机谱响应分析[J]. 光学精密工程, 2003, 4(11) : 34~37.
[40] 王延风, 卢锷, 宋文荣, 等. 空间相机的结构动力学分析[J]. 光学精密工程, 2003, 4(4): 50~55.
[41] 陈务军, 关富玲, 董石麟. 空间展开折叠桁架结构动力学分析研究[J]. 计算力学学报, 2000, 17(4): 410~416.
[42] 张峰. NX Nastran基础分析指南[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.
[43] 郭乙木, 万力, 黄丹. 有限元法与MSC.Nastran软件的工程应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.
[44] Sui Yunkang, Yu Xin. The Topological Optimization for Truss Structures with Stress Constraints Based on the Exist-null Combined Model. Acta Mechanical Sinica, 1998, 14(4): 363~370.
[45] 隋允康, 杜家政, 彭细荣. MSC.Nastran有限元动力分析与优化设计实用教程[M]. 北京: 科学出版社, 2004.
[46] R.W.克拉夫, J.彭津. 结构动力学[M]. 北京: 科学出版社.
[47] 盛宏玉. 结构动力学[M]. 合肥: 合肥工业大学出版社, 2005.
[48] 胡海岩, 孙久厚, 陈怀海. 机械振动与冲击[M]. 北京: 航空工业出版社, 2002.
[49] 尤春风. CATIA V5机械设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.
[50] 刘兵山, 黄聪, 等. Patran从入门到精通[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.
[51] 马爱军, 周传月, 王旭. Patran和Nastran有限元分析专业教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.
[52] 孙长任, 杜家政, 卢绪智, 等. MSC.Nastran应用实例教程[M]. 北京: 科学出版社, 2004.
[53] 张永昌. MSC.Nastran有限元分析理论基础与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2004.