反作用飞轮激励下某空间相机反光镜微振动分析及控制

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随着空间相机成像技术不断发展进步,获取更高分辨率的图像不论在军事领域还是在民生方面均有着深远意义。为了获取更高分辨率的图像,对相机姿态控制系统的研究尤为重要。反作用飞轮作为姿态控制的执行组件由于其加工及装配上的微小误差使得飞轮在成像环节会产生一系列不可预期的微小振动。微振动严重影响相机成像质量,轻者降低分辨率重者会导致图像崩坏。为保障空间相机在轨阶段的成像质量,对反作用飞轮引起的微振动的研究十分重要。本文从空间相机建模,空间相机初步动力学特性分析,空间相机微振动分析及微振动控制四个方面展开研究。首先根据某空间相机几何模型建立了等效的有限元模型。选用MSC.Nastran作为模型求解器,结合相机有限元模型简单介绍了MSC.Nastran的建模特点并对整体结构及镜组结构分别进行模态分析,获得了镜组与整体结构的模态联系。接着对整体结构进行了频响分析及随机振动分析,结合整体模态振型分析了结构在中频段的动力学响应特性。发现相机光轴方向响应大于镜面响应,光轴方向的响应主要受整体第3、4阶约束模态的影响,镜面响应主要受整体第13、14、15阶约束模态的影响。然后对整体结构进行了微振动分析。从微振动载荷来源开始研究,将反作用飞轮动静不平衡引起的正弦载荷及其他因素引起的随机载荷利用快速傅里叶变换转换为时域激励信号。利用模态叠加法对相机进行时域激励信号下的瞬态分析。通过分析镜面测点的位移响应曲线得到了可以忽略反光镜形变位移的结论。结合MATLAB编程绘制了镜面测点的运动轨迹,发现测点沿光轴方向的抖动较大,为微振动隔振提供了评价标准。最后以微振动分析为基础对空间相机进行了隔振研究。从隔振理论开始,分析了单层隔振与双层隔振的影响因素。根据双层隔振理论采用有机橡胶设计了四种振源隔振方案,根据各方案的微振动响应结果选定金属保护套与有机橡胶相结合的隔振方案。又对该隔振方案的尺寸分配进行了深入研究,通过灵敏度分析获得了最佳设计尺寸。最终方案X向隔振效果高达40%,Y向隔振效果为9.6%,Z向隔振效果为40%。除对振源进行隔振设计外还对反光镜柔节进行了隔振分析,通过延长能量传递路径的方式修改了柔节结构并对其进行了强度及稳定性校核,最终设计了一种新的既能满足安全性能指标又有良好隔振效果的柔节结构方案。
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