宮輝 練敏隆 石志城 賈濤 童衛(wèi)明 連華東

一種新型多功能BIPOD相機(jī)支撐技術(shù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

宮輝 練敏隆 石志城 賈濤 童衛(wèi)明 連華東

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

空間相機(jī)結(jié)構(gòu)頻率需避開火箭振動(dòng)頻率的波峰，在軌成像時(shí)需隔離衛(wèi)星平臺(tái)的微振動(dòng)。基于相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)發(fā)射段高頻率、在軌段低頻率的需求，設(shè)計(jì)了一種兼具鎖緊隔振功能的兩腳架（BIPOD）支撐結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在相機(jī)發(fā)射過程中鎖緊，入軌成像階段解鎖，解鎖狀態(tài)具備隔離低頻振動(dòng)的能力。其中鎖緊機(jī)構(gòu)由卡箍、切割器鎖緊，由彈簧驅(qū)動(dòng)分離；隔振結(jié)構(gòu)阻尼膠采用聚氨酯材料，該材料的振動(dòng)傳遞率低于0.2，其彈性模量（）通過拉力試驗(yàn)獲得。設(shè)計(jì)并投產(chǎn)了BIPOD結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，完成了相機(jī)的正弦振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明BIPOD鎖緊時(shí)一階頻率25.99Hz，超出相機(jī)發(fā)射的頻率要求（25Hz）；利用力錘敲擊法測(cè)試了相機(jī)解鎖模態(tài)，一階頻率7.03Hz，能抑制制冷機(jī)10Hz以上的低頻振動(dòng)。上述測(cè)試結(jié)果表明BIPOD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目需求。

鎖緊 隔振 支撐結(jié)構(gòu) 空間相機(jī)

0 引言

航天器從制造到任務(wù)終止全壽命周期需經(jīng)歷振動(dòng)、沖擊、噪聲、加速度和微重力環(huán)境[1-2]?？臻g相機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要克服發(fā)射段的大量級(jí)振動(dòng)及在軌工作時(shí)的微振動(dòng)兩種力學(xué)環(huán)境。在傳統(tǒng)的相機(jī)研制中，相機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)的核心是天地一致性原則[3]，即相機(jī)在軌狀態(tài)與地面試驗(yàn)狀態(tài)一致，相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)只需承受火箭的大量級(jí)振動(dòng)。為避免與運(yùn)載火箭共振，相機(jī)結(jié)構(gòu)采用高剛度設(shè)計(jì)原則。隨著相機(jī)分辨率需求的提高，以及長焦距光學(xué)系統(tǒng)、小尺寸探測(cè)器件的廣泛應(yīng)用，相機(jī)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)上的微振動(dòng)變得敏感，即便是微小振動(dòng)也會(huì)帶來相機(jī)光軸的抖動(dòng)，造成傳函的降低、像質(zhì)的模糊[4]。因此，相機(jī)鏡頭支撐結(jié)構(gòu)需要隔離來自衛(wèi)星平臺(tái)的微振動(dòng)，一般采用低剛度隔振設(shè)計(jì)技術(shù)。這就導(dǎo)致相機(jī)鏡頭支撐結(jié)構(gòu)需要具備兩種不同的剛度模式。

相機(jī)鏡頭支撐結(jié)構(gòu)發(fā)射段的高剛度、在軌成像階段的低剛度模式，給設(shè)計(jì)工作帶來挑戰(zhàn)。常用的解決方案是采用組合式技術(shù)方案，即支撐結(jié)構(gòu)由鎖緊機(jī)構(gòu)和隔振器兩套設(shè)備組成，相機(jī)在發(fā)射段鎖緊，進(jìn)入軌道后解鎖。這種方案機(jī)械接口多，為了減小裝配帶來的應(yīng)力，在設(shè)計(jì)及加工中需要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)件的公差，增加了成本和裝配難度；并且由于機(jī)械接口數(shù)量的增多，也帶來了附屬結(jié)構(gòu)件質(zhì)量增大的問題。

本文設(shè)計(jì)了一套新型多功能兩腳架（BIPOD）支撐結(jié)構(gòu)，兼具鎖緊與隔振功能，機(jī)械接口簡單，質(zhì)量小，裝配工藝簡單。

1 BIPOD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 鏡頭支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求

某光學(xué)遙感相機(jī)采用同軸式光學(xué)系統(tǒng)，主鏡口徑超過1 400mm。相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)

同軸反射式光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是主、次鏡光軸共軸線，折鏡及透鏡等光學(xué)元件、焦面均位于主鏡背后。因此，相機(jī)鏡頭必須通過懸臂式支撐結(jié)構(gòu)安裝到衛(wèi)星對(duì)地板上。為避免多個(gè)安裝點(diǎn)影響鏡頭面形，同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，相機(jī)通常采用三組BPIOD形成準(zhǔn)靜定式支撐結(jié)構(gòu)。

根據(jù)火箭振動(dòng)特性可知，火箭在0～20Hz內(nèi)存在振動(dòng)波峰。為了避開火箭的波峰，同時(shí)預(yù)留頻率差值裕度，相機(jī)鏡頭在發(fā)射段的結(jié)構(gòu)頻率需要高于25Hz。

相機(jī)在軌工作時(shí)的隔振頻率需要避開太陽翼、柔性遮光罩等設(shè)備的低頻擾動(dòng)（本設(shè)計(jì)避不開）和制冷機(jī)、動(dòng)量輪等設(shè)備的高頻振動(dòng)。常用的隔振技術(shù)有主動(dòng)式、半主動(dòng)式和被動(dòng)式三種[5]。對(duì)于通光口徑較大的遙感衛(wèi)星，比較成熟的是被動(dòng)隔振技術(shù)，如：哈勃望遠(yuǎn)鏡使用被動(dòng)隔振裝置隔離反作用輪擾動(dòng)[6]；國內(nèi)亞米級(jí)商業(yè)遙感衛(wèi)星，在相機(jī)與衛(wèi)星安裝面設(shè)置被動(dòng)隔振器[7-8]。主動(dòng)式隔振技術(shù)方面，美國空軍實(shí)驗(yàn)室在SUITE衛(wèi)星上使用了壓電陶瓷作為主動(dòng)隔振作動(dòng)器的高強(qiáng)度隔振平臺(tái)[9]。被動(dòng)隔振設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)是隔振頻率，根據(jù)低通濾波的被動(dòng)隔振原理[10]，隔振頻率越低，高頻減振越明顯。在航天工程應(yīng)用中，隔振頻率通常大于5～10倍星上固有低頻[11]。根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)的低頻擾振特性，鏡頭在軌工作時(shí)的頻率需高于5Hz，且不超過9Hz。

1.2 BIPOD結(jié)構(gòu)方案選擇

兼顧鎖緊與隔振的BIPOD結(jié)構(gòu)方案有兩種：1）在BIPOD與相機(jī)鏡頭安裝面之間設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)、隔振器，鎖緊機(jī)構(gòu)與隔振器并聯(lián)，如圖2（a）所示。鎖緊裝置直接承擔(dān)載荷重量，需要大負(fù)載能力，常用類型為分離螺母。這種設(shè)計(jì)方案中鎖緊裝置、隔振器及附屬結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量、尺寸均較大。2）在BIPOD支撐腿上設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)、隔振器，隔振器與鎖緊機(jī)構(gòu)串聯(lián)，如圖2（b）所示。鎖緊裝置不直接承擔(dān)載荷重量，可以選用輕小型解鎖裝置。

本項(xiàng)目中，相機(jī)鏡頭最大外徑2 000mm，質(zhì)量約580kg。第一種方案的鎖緊裝置、隔振器為單獨(dú)的兩套設(shè)備，機(jī)械接口和附屬件多，總質(zhì)量大。第二種方案是對(duì)BIPOD自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，機(jī)械接口簡單，附屬結(jié)構(gòu)件少，總質(zhì)量小。經(jīng)過初步的設(shè)計(jì)論證，第二種BIPOD結(jié)構(gòu)質(zhì)量比第一種輕6kg，3組BIPOD可減小質(zhì)量約18kg。因此，選擇串聯(lián)式作為相機(jī)鏡頭的支撐方案。

圖2 BIPOD結(jié)構(gòu)方案

1.3 BIPOD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

BIPOD由上安裝座、阻尼桿、鎖緊組件、下安裝座和銷軸組成，材料均為鈦合金；構(gòu)型如圖3所示。

阻尼桿是隔振結(jié)構(gòu)的核心，由外桿、限位板、內(nèi)桿、阻尼膠環(huán)等組成，內(nèi)桿與外桿共軸線，通過阻尼膠粘接在一起。隔振的原理為：傳遞振動(dòng)的時(shí)候，內(nèi)桿與外桿相對(duì)滑動(dòng)，阻尼膠將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能耗散掉，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的隔離。內(nèi)桿外表面與外桿內(nèi)表面間隙配合，配合面均涂抹真空潤滑酯，防止結(jié)構(gòu)冷焊，同時(shí)保證相對(duì)滑動(dòng)的順利進(jìn)行。阻尼膠選擇空間隔振性能優(yōu)異的聚氨酯材料。限位板貫穿內(nèi)桿、外桿，用來限制二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的范圍，防止內(nèi)桿與外桿的相對(duì)滑移量超出聚氨酯膠環(huán)所能承受的最大變形量。每個(gè)BIPOD結(jié)構(gòu)包含兩套阻尼桿，阻尼桿結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖3 BIPOD結(jié)構(gòu)模型

圖4 阻尼桿結(jié)構(gòu)模型

鎖緊組件借鑒包帶式鎖緊裝置的原理[12]，由卡箍、火工切割器、彈簧、彈簧保護(hù)套及卡箍限位套組成?？ü繛閮砂晔綐?gòu)型，卡箍內(nèi)壁是兩排V型槽，分別與內(nèi)桿、外桿的V型法蘭配合?？ü績啥送ㄟ^火工切割器壓緊后，內(nèi)、外桿法蘭嵌入V型槽，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)、外桿的軸向限位，阻尼桿被鎖緊?；鸸で懈钇鼽c(diǎn)火后，施加在卡箍兩側(cè)的壓緊力消失，卡箍外端的壓縮彈簧驅(qū)動(dòng)卡箍與阻尼桿脫離接觸，阻尼桿解鎖?？ü肯尬惶子糜谑占{解鎖后的卡箍，防止卡箍彈出磕碰到星上其他設(shè)備。鎖緊機(jī)構(gòu)模型如圖5所示。

結(jié)構(gòu)相機(jī)是用來模擬相機(jī)力學(xué)特性的試驗(yàn)件，模型見圖6。

圖5 鎖緊機(jī)構(gòu)模型

圖6 結(jié)構(gòu)相機(jī)模型

1.4 阻尼膠性能測(cè)試

被動(dòng)隔振器的性能與阻尼膠密切相關(guān)。聚氨酯材料是航天器上常用的一種阻尼材料[13]，其伸長率可達(dá)400%～800%，減振效果好，承載范圍寬，具有較好的耐臭氧、耐輻照性能，在0～40℃范圍內(nèi)阻尼損耗因子不小于0.2，10℃時(shí)不小于0.7[14]。

圖7 聚氨酯試驗(yàn)件剖面

圖8 聚氨酯試驗(yàn)件拉力—變形曲線

為了獲得聚氨酯材料的力—變形曲線，設(shè)計(jì)了一套聚氨酯材料的性能測(cè)試件。試驗(yàn)件剖面結(jié)構(gòu)見圖7。利用裝配工裝實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外桿定位的聚氨酯膠通過注膠口注入外桿、內(nèi)桿的環(huán)形腔體內(nèi)，固化7d時(shí)間形成阻尼膠環(huán)。

試驗(yàn)件膠環(huán)中徑為38mm，膠環(huán)寬7mm，拉力試驗(yàn)中剪切面截面面積=835.24mm2。試驗(yàn)件的拉伸試驗(yàn)在1t拉力機(jī)上完成，三個(gè)測(cè)試件的拉力—變形曲線如圖8所示。

圖8中直線段部分為線性變形區(qū)域。根據(jù)試驗(yàn)曲線，可以得到聚氨酯材料彈性模量的取值范圍。線性段的拉力差值設(shè)為Δ，為了計(jì)算方便，取Δ=1 200N，則最大應(yīng)力=Δ/=1.44MPa。

經(jīng)測(cè)量，聚氨酯膠變形量Δ=0.25mm，根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變公式=/Δ，計(jì)算可知=5.76GPa。

利用HYPERMESH軟件建立有限元模型（FEM），仿真得到套筒式阻尼桿向一階自由模態(tài)454.6Hz，向一階模態(tài)460.4Hz。向、向一階振形如圖9所示。

圖9 套筒式阻尼桿一階振型

1.5 相機(jī)模態(tài)分析

用仿真軟件HYPERMESH建立相機(jī)有限元模型（見圖10）。根據(jù)OPTISTRUCT解算器計(jì)算得到的相機(jī)鎖緊狀態(tài)、解鎖狀態(tài)頻率：鎖緊狀態(tài)向一階頻率26.76Hz，向一階頻率27.94Hz，向一階頻率超過70Hz；解鎖狀態(tài)向一階頻率6.80Hz，向一階頻率6.93Hz。

圖10 結(jié)構(gòu)相機(jī)有限元模型

1.6 BIPOD隔振特性分析

振動(dòng)傳遞率以通過隔振元件傳遞的力與擾動(dòng)力之間的比值，或傳遞加速度與擾動(dòng)加速度之間的比值來表示[15-17]，即

是評(píng)價(jià)隔振效果常用的的物理量之一。<1，即表明阻尼隔振有效果，值越低，隔振效果越好。

對(duì)整機(jī)解鎖狀態(tài)的有限元模型進(jìn)行正弦振動(dòng)分析，結(jié)構(gòu)阻尼因子取0.3。振動(dòng)響應(yīng)曲線見圖11。由響應(yīng)曲線可以看出，在低頻段5.9Hz附近響應(yīng)最大，值為2；在6.8Hz附近，=1；在8.9Hz、10.5Hz附近，值最小并出現(xiàn)振動(dòng)相位的改變。頻率高于35Hz，穩(wěn)定在0.02附近，說明阻尼桿對(duì)于制冷機(jī)壓縮機(jī)（40Hz及其倍頻）、動(dòng)量輪的高頻振動(dòng)傳遞具有良好的抑制效果。

圖11 隔振特性曲線

2 BIPOD支撐結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證

2.1 阻尼桿注膠均勻性試驗(yàn)

BIPOD支撐結(jié)構(gòu)的隔振頻率由阻尼膠注膠量決定。相機(jī)鏡頭支撐結(jié)構(gòu)為3個(gè)BIPOD組件，圓周式均布于鏡頭承力結(jié)構(gòu)背部邊緣。因?yàn)樽枘崮z注膠狀態(tài)可能存在差異，若6個(gè)阻尼桿頻率差異太大，則會(huì)對(duì)BIPOD隔振性能帶來不利影響。阻尼試驗(yàn)件研制完成后，利用力錘敲擊法完成了6個(gè)阻尼桿（編號(hào)1#～6#）的自由模態(tài)特性測(cè)試。測(cè)試前在阻尼桿上布設(shè)7個(gè)傳感器，力錘敲擊阻尼桿后，傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)由軟件分析處理，得到阻尼桿的頻率值。阻尼桿上傳感器（1～7）布設(shè)位置及力錘敲擊點(diǎn)位置見圖12，測(cè)試頻率數(shù)據(jù)見表1。

圖12 阻尼桿模態(tài)測(cè)試敲擊點(diǎn)及傳感器布設(shè)位置

表1 阻尼桿頻率

向敲擊模態(tài)最大值459.3Hz，最小值447.5Hz，平均值453.7Hz，方差值4.57Hz，偏離仿真值13.1Hz，偏離量1.53%；向敲擊模態(tài)最大值468.0Hz，最小值452.2Hz，平均值460.1Hz，方差值4.97Hz，偏離仿真值13.94Hz，偏離量1.76%。

考慮到阻尼桿內(nèi)外桿加工誤差、裝配同軸度誤差、注膠誤差，其模態(tài)偏離量不超過2%，因此可以認(rèn)為前文聚氨酯膠彈性模量測(cè)試值是合理的。

2.2 相機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)相機(jī)由BIPOD結(jié)構(gòu)與鏡頭模擬件組成。在29t試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)相機(jī)進(jìn)行了正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。正弦振動(dòng)最大量級(jí)3n，隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度為1W/Hz，振動(dòng)時(shí)間2min。振動(dòng)過程中，BPIOD處于鎖緊狀態(tài)。

表2 相機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，結(jié)構(gòu)相機(jī)向一階頻率25.99Hz，向一階頻率26.86Hz。仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)仿真值與實(shí)測(cè)值偏差低于4%，數(shù)據(jù)較一致。圖13分別是結(jié)構(gòu)相機(jī)向、向的大量級(jí)振動(dòng)前后的掃頻曲線。由曲線可知，結(jié)構(gòu)相機(jī)在振動(dòng)前后頻率未發(fā)生漂移，說明鎖緊結(jié)構(gòu)能承受相機(jī)振動(dòng)的考核。

2.3 BIPOD解鎖模態(tài)測(cè)試及分析

阻尼膠不能單獨(dú)承載相機(jī)鏡頭的結(jié)構(gòu)重量，不能在承載情況下進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。因此，BIPOD解鎖狀態(tài)的頻率特性是通過力錘敲擊法獲得的[18]。相機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)如圖15所示，結(jié)構(gòu)相機(jī)固定安裝于地軌，相機(jī)鏡頭通過懸吊抵消重力作用。向、向一階頻率分別為7.03Hz、7.18Hz，測(cè)試與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比見表3。

圖15 相機(jī)解鎖狀態(tài)敲擊試驗(yàn)

表3 敲擊模態(tài)數(shù)據(jù)

表3中的模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)說明隔振結(jié)構(gòu)的低頻設(shè)計(jì)方案是合理的，能對(duì)7.03Hz以上的衛(wèi)星微振動(dòng)進(jìn)行隔離。、向模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)偏差分別為3.4%、3.6%，主要是因?yàn)橄鄼C(jī)鏡頭重力卸載不徹底，不能完全模擬在軌零重力狀態(tài)，導(dǎo)致解鎖狀態(tài)的模態(tài)測(cè)試值存在偏差，因此后續(xù)產(chǎn)品的模態(tài)測(cè)試需投產(chǎn)專用零重力模擬設(shè)備。隔振結(jié)構(gòu)對(duì)星上制冷機(jī)、動(dòng)量輪的隔振能力測(cè)試，將在衛(wèi)星上進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

BIPOD結(jié)構(gòu)兼顧鎖緊與隔振功能，能滿足衛(wèi)星相機(jī)鎖緊、解鎖狀態(tài)下的力學(xué)性能需求。通過拉力試驗(yàn)獲得聚氨酯材料彈性模量為5.76GPa。根據(jù)彈性模量測(cè)試數(shù)據(jù)，完成了阻尼桿設(shè)計(jì)、仿真及投產(chǎn)，通過敲擊試驗(yàn)測(cè)試了阻尼桿剛度的偏離不超過2%。BIPOD與相機(jī)鏡頭裝配完畢后，完成了相機(jī)鎖緊狀態(tài)、解鎖狀態(tài)的模態(tài)測(cè)試，鎖緊狀態(tài)向、向一階頻率分別為25.99Hz、26.86Hz，解鎖狀態(tài)向、向一階頻率分別為7.03Hz、7.18Hz，滿足相機(jī)發(fā)射段、在軌成像段的剛度需求。

BIPOD結(jié)構(gòu)解鎖狀態(tài)的頻率偏高，后續(xù)將對(duì)阻尼桿的阻尼膠環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，增大阻尼隔振范圍，提高相機(jī)性能。

[1] 馬興瑞, 韓增堯, 鄒元杰, 等. 航天器力學(xué)環(huán)境分析與條件設(shè)計(jì)研究進(jìn)展[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2012, 33(1): 1-9.

MA Xingrui, HAN Zengyao, ZOU Yuanjie, et al. Review and Assessment of Spacecraft Mechanical Environment Analysis and Specification Determination[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(1): 1-9. (in Chinese)

[2] 羅婕, 檀傈錳, 羅敏, 等. 衛(wèi)星載荷隔振裝置特性的微振動(dòng)試驗(yàn)及分析[J]. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷, 2019, 39(3): 659-664.

LUO Jie, TAN Limeng, LUO Min, et al. Test and Analysis of Micro-vibration Characteristic for Vibration Isolator on Spacecraft Payloads[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2019, 39(3): 659-664. (in Chinese)

[3] 邱吉寶, 張正平, 李海波, 等. 全尺寸航天器振動(dòng)臺(tái)多維振動(dòng)試驗(yàn)的天地一致性研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2015, 42(2): 1-12.

QIU Jibao, ZHANG Zhengping, LI Haibo, et al. The Consistency of Dynamic Responses of a Full Scale Spacecraft between Ground Tests and Its Space Missions[J]. Structure & Environment Engineering, 2015, 42(2): 1-12. (in Chinese)

[4] 朱俊青, 沙巍, 陳長征, 等. 大口徑空間相機(jī)像質(zhì)的微振動(dòng)頻率響應(yīng)計(jì)算[J]. 光學(xué)精密工程, 2016, 24(5): 1118-1126.

ZHU Junqing, SHA Wei, CHEN Changzheng, et al. Frequency Response of Imaging Quality by Micro-vibration for Large-aperture Space-borne Telescope[J]. Optics and Precision Engineering, 2016, 24(5): 1118-1126. (in Chinese)

[5] 陳健, 馮淑紅, 柳征勇, 等. 航天器系統(tǒng)級(jí)減振/隔振應(yīng)用研究及其進(jìn)展[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2013, 40(5): 37-42.

CHEN Jian, FENG Shuhong, LIU Zhengyong, et al. Development of Application for Planet System-level Vibration Reduction[J]. Structure & Environment Engineering, 2013, 40(5): 37-42. (in Chinese)

[6] HASHA M D. Passive Isolation/damping System for the Hubble Space Telescope Reaction Wheels[R]. California: [s.n.], 1987.

[7] 藺宇輝, 李玲, 王春輝, 等. 某空間光學(xué)遙感器的振動(dòng)抑制及裝星應(yīng)力卸載技術(shù)應(yīng)用[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(1): 23-31.

LIN Yuhui, LI Ling, WANG Chunhui, et al. Application of Vibration Suppression and Assembly Stress Unloading Technology for A Space Optical Remote Sensor[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(1): 23-31. (in Chinese)

[8] 劉涌, 胡永力. 動(dòng)量輪微振動(dòng)擾振頻譜對(duì)三反同軸相機(jī)的影響[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(2): 31-37.

LIU Yong, HU Yongli. Effects of Momentum Wheel Jitter Spectrum on Three-mirror Anastigmatic Imaging[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(2): 31-37. (in Chinese)

[9] ANDERSON E H, FUMO J P, ERWIN R S. Satellite Ultraquiet Isolation Technology Experiment (SUITE)[C]//2000 IEEE Aerospace Conference, March 25-25, 2000, Big Sky, MT, USA. [S.l.]: IEEE, 2000, 2374: 308-328.

[10] 關(guān)新, 王光遠(yuǎn), 梁魯. 空間相機(jī)低頻隔振系統(tǒng)及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 航天返回與遙感, 2011, 32(6): 53-61.

GUAN Xin, WANG Guangyuan, LIANG Lu, et al. Experimental Demonstration of a Low Frequency Isolation System for High Resolution Optical Payload[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2011, 32(6): 53-61. (in Chinese)

[11] 范斌, 段鵬飛, 于起峰. 高靈敏度空間光學(xué)載荷在軌微振動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 航天返回與遙感, 2017, 38(4): 64-73.

FAN Bin, DUAN Pengfei, YU Qifeng. Design and Verify of the Micro-vibration Isolation System for a Space-born High Sensitivity Optical Payload[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2017, 38(4): 64-73. (in Chinese)

[12] 張文明, 李委托. 包帶式星箭解鎖裝置預(yù)警力影響因素分析[J]. 航天器工程, 2013, 22(2): 50-54.

ZHANG Wenming, LI Weituo. Research on Influencing Factor on V-clamp Band Preload[J]. Spacecraft Engineering, 2013, 22(2): 50-54. (in Chinese)

[13] 丁振林. 聚氨酯隔振器研究的新進(jìn)展[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2011, 31(4): 152-154.

DING Zhenlin. Advance in the Research of Polyurethane Vibration Isolator[J]. Noise and Vibration Control, 2011, 31(4): 152-154. (in Chinese)

[14] 楊睿, 王棟. 聚氨酯隔振器設(shè)計(jì)及隔振效果仿真分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2019, 36(9): 75-80.

YANG Rui, WANG Dong. Design of Polyurethane Isolator and Simulation Analysis of Vibration Isolation Effect[J]. Computer Simulation, 2019, 36(9): 75-80. (in Chinese)

[15] 涂奉臣, 陳照波, 劉旺中, 等. 用于整星隔振效果評(píng)價(jià)的隔振器影響系數(shù)指標(biāo)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2011, 30(3): 220-224.

TU Fengchen, CHEN Zhaobo, LIU Wangzhong, et al. Evaluating Indicator of Whole-satellite Vibration Isolation[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(3): 220-224. (in Chinese)

[16] 段小帥, 梁青, 陳紹青, 等. 雙層隔振系統(tǒng)隔振效果評(píng)價(jià)與試驗(yàn)[J]. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷, 2010, 30(6): 694-697.

DUAN Xiaoshuai, LIANG Qing, CHEN Shaoqing, et al. Evaluation and Experiment on Vibration-isolation Effect of Double-stage Vibration-isolation System[J]. Journal of Vibration Measurement & Diagnosis, 2010, 30(6): 694-697. (in Chinese)

[17] 趙薇, 張義民. 振動(dòng)傳遞路徑系統(tǒng)輸入的重要性分析[J]. 中國工程機(jī)械學(xué)報(bào), 2010, 8(2): 132-137.

ZHAO Wei, ZHANG Yimin. Importance Analysis on System Inputs into Vibration Transfer Paths[J]. Chinese Journal of Construction Machinery, 2010, 8(2): 132-137. (in Chinese)

[18] 李林, 王棟, 孔林, 等. 隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)下的空間相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2017, 36(7): 201-212.

LI Lin, WANG Dong, KONG Lin, et al. Design and Tests for a Space Camera Support Structure Under Random Vibration Responses[J]. Journal of Vibration and Shock, 2017, 36(7): 201-212. (in Chinese)

[19] 董光旭, 張希農(nóng), 謝石林, 等. 基于負(fù)剛度機(jī)構(gòu)的高剛度－超阻尼隔振器設(shè)計(jì)與研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2017, 36(9): 239-246.

DONG Guangxu, ZHANG Xinong, XIE Shilin, et al. Design of a High Stiffness and Hyper-damping Vibration Isolator Based on Negative Stiffness Mechanism[J]. Journal of Vibration and Shock, 2017, 36(9): 239-246. (in Chinese)

[20] 段家希, 李志來, 曹乃亮, 等. 包帶式解鎖支座沖擊環(huán)境研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2013, 32(9): 16-20.

DUAN Jiaxi, LI Zhilai, CAO Nailiang, et al. Shock Environment of Clamp-band Unlocking Support[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(9): 16-20. (in Chinese)

[21] 宮輝, 陳偉, 周峰. 大口徑反射鏡組件發(fā)射段環(huán)境的防振設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2015, 36(3): 40-47.

GONG Hui, CHEN Wei, ZHOU Feng. The Vibration Suppression Designing for Large Aperture Mirror Assembly in Launch Environment[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2015, 36(3): 40-47. (in Chinese)

Design and Verification of a BIPOD Structure with Locking & Vibration Isolation Function for Space Cameras

GONG Hui LIAN Minlong SHI Zhicheng JIA Tao TONG Weiming LIAN Huadong

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Space camera needs not only surviving the vibration of rockets during launch，but also isolating the micro-vibration of satellite during on-orbit operation. Based on the different requirements of the camera structure frequency, a BIPOD structure with locking & vibration isolation functions was designed. The BIPOD is locked during lunch, and unlocked during imaging stage on board to isolate the low-frequency vibration of satellite. The locking mechanism consists of clamps, sickles and springs. The damping adhesive of vibration isolation structure is made of polyurethane, and the vibration transmission rate can be lower than 0.2. The polyurethane’s elasticity modulus () was tested by the tensile machine. The BIPOD was designed and then manufactured. Sinusoidal and random vibration tests of the camera were carried out. The first-order modal frequency of the camera in locked status is 25.99Hz , better than the design requirement. The first unlocked frequency of the camera is 7.03Hz by the hammering method, showing that the low-frequency vibration over 10Hz can be suppressed.

lock; vibration isolation; support structure; space camera

V474.1+1

A

1009-8518(2021)06-0132-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.06.013

2021-08-22

宮輝, 練敏隆, 石志城, 等. 一種新型多功能BIPOD相機(jī)支撐技術(shù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(6): 132-140.

GONG Hui, LIAN Minlong, SHI Zhicheng, et al. Design and Verification of a BIPOD Structure with Locking & Vibration Isolation Function for Space Cameras[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(6): 132-140. (in Chinese)

宮輝，男，1982年生，2009年獲中國空間技術(shù)研究院光學(xué)工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檫b感器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。E-mail：gonghui2006@163.com。

（編輯：夏淑密）