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。