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低轨道遥感相机光机热一体化分析及优化设计

刘朋朋 靳利锋 赵慧 李妥妥

刘朋朋, 靳利锋, 赵慧, 李妥妥. 低轨道遥感相机光机热一体化分析及优化设计[J]. 红外技术, 2022, 44(6): 614-621.
引用本文: 刘朋朋, 靳利锋, 赵慧, 李妥妥. 低轨道遥感相机光机热一体化分析及优化设计[J]. 红外技术, 2022, 44(6): 614-621.
LIU Pengpeng, JIN Lifeng, ZHAO Hui, LI Tuotuo. Integrated Opto-mechanical-thermal Analysis and Optimization Design of a Low-Orbit Remote Sensing Camera[J]. Infrared Technology , 2022, 44(6): 614-621.
Citation: LIU Pengpeng, JIN Lifeng, ZHAO Hui, LI Tuotuo. Integrated Opto-mechanical-thermal Analysis and Optimization Design of a Low-Orbit Remote Sensing Camera[J]. Infrared Technology , 2022, 44(6): 614-621.

低轨道遥感相机光机热一体化分析及优化设计

基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 11874087

详细信息
    作者简介:

    刘朋朋(1991-),男,山东聊城人,硕士研究生,研究方向为可见及红外遥感相机光机结构设计。E-mail:807666208@qq.com

  • 中图分类号: TN216

Integrated Opto-mechanical-thermal Analysis and Optimization Design of a Low-Orbit Remote Sensing Camera

  • 摘要: 低轨道卫星热环境复杂恶劣,对遥感相机光机结构的热性能提出了严格要求。本文提出了一种基于在轨温度场的光、机、热一体化仿真分析方法,以某低轨道卫星相机为例,分别采用Thermal Desktop、MSC Patran/Nastran、Code V构建热分析模型、结构有限元分析模型、光学分析模型,分析得出了相机单次成像时间内最极端工况下各反射镜的平移、倾斜及镜间距变化量等结构变形特性,计算了光学系统MTF的变化,并剖析了系统传函的主要影响因素。然后从主承力结构的结构参数出发进行了优化设计,优化结果表明主承力结构线胀系数在(5~5.5)×10-6时系统热特性最优,系统传函满足指标要求。
  • 图  1  光机热一体化仿真分析流程

    Figure  1.  Analysis process of integrated opto-mechanical-thermal

    图  2  相机热分析模型

    Figure  2.  Thermal analysis model of the camera

    图  3  相机结构分析有限元模型

    Figure  3.  Structural analysis finite element model of the camera

    图  4  相机温度场

    Figure  4.  Camera temperature field

    图  5  相机结构热变形结果

    Figure  5.  Thermal deformation results of the camera structure

    图  6  主镜镜面面形

    Figure  6.  Surface shape error of primary mirror

    图  7  各反射镜平移及倾斜位移

    Figure  7.  Translation and tilt displacements of each mirror

    图  8  各反射镜镜间距变化

    Figure  8.  Variation of each mirror spacing

    图  9  系统传函变化

    Figure  9.  Variation of system transfer fuction

    图  10  均匀温升相机结构变形

    Figure  10.  Structure deformation by uniform temperature rising

    图  11  不同主承力线胀系数主次镜间距变化

    Figure  11.  Variation of primary and secondary mirror spacing with different linear expansion coefficients of the principle bearing

    图  12  优化后最低温、最高温工况系统传函变化

    Figure  12.  Variation of system transfer fuction after optimization

    图  13  中心视场像移变化

    Figure  13.  Image shift variation of central view field

    表  1  相机反射镜及结构支撑材料属性

    Table  1.   Materials and properties of mirror structural supports

    Material Density/(kg/m3) Young’s modulus/GPa Poisson’s ratio Linear expansion coefficient/(10-6/℃)
    Zerodur 2530 91 0.24 0.05
    SiC 3120 350 0.17 2.2
    4J32 8180 145 0.25 0.05
    TC4 4450 110 0.34 9.1
    C/SiC 2100 100 0.089 1.3
    XM23 1000 0.002 0.49 236
    下载: 导出CSV

    表  2  主镜Zernike系数

    Table  2.   Zernike coefficient of primary mirror

    Serial number Expression Value
    (The lowest temperature condition)
    Value
    (The highest temperature condition)
    1 1 −4.05E+01 1.59E+01
    2 ρcosθ 6.08E−02 1.27E−01
    3 ρsinθ −3.14E+00 2.27E−01
    4 2ρ2−1 −6.66E−02 1.32E−01
    5 ρ2cos2θ 5.32E−03 −6.68E−03
    6 ρ2sin2θ 7.25E−04 9.03E−04
    7 (3ρ2−2ρ) cosθ 6.33E−04 2.94E−03
    8 (3ρ2−2ρ) sinθ −5.26E−02 7.71E−04
    9 6ρ4−6ρ2+1 1.10E−04 −1.34E−03
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-04
  • 修回日期:  2021-11-17
  • 刊出日期:  2022-06-20

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