一种空间相机碳纤维bipod支撑装置及空间相机装置的制作方法

1.本发明涉及航天遥感技术领域，具体涉及一种空间相机碳纤维bipod支撑装置及空间相机装置。


背景技术：

2.随着航天遥感技术的发展，遥感相机应用越来越普遍，随着相机分辨率的提升，对相机安装条件的要求也越来越高。目前主要存在两个问题，第一，受设计、加工、装配等限制，卫星平台的相机安装面的平面度难以满足高分辨率相机的要求；第二，随着相机越来越复杂，相机对振动环境的耐受能力也逐渐降低。
3.针对上述问题，目前空间相机开始使用3点式bipod减振装置进行支撑，常见的包括金属柔性支腿和金属阻尼桁架。金属柔性支腿能够实现相机的应力卸载和变形解耦，但是柔性支腿在发射主动段容易引起结构失稳，存在安全隐患，所以往往会采用发射时的锁紧设计、入轨后解锁的设计支撑，但是附加的一套解锁装置成本高且重量大，增加了一笔额外的发射费用，代价很大。金属阻尼桁架在相机发射阶段可以有效隔振，也可以实现相机的解耦安装要求，但是现有阻尼桁架的组装工艺复杂，往往需要多次注胶，生产工艺复杂、生产周期长，不适宜大范围推广。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术存在技术问题的一种或几种，提供了一种空间相机碳纤维bipod支撑装置及空间相机装置。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种空间相机碳纤维bipod支撑装置，包括上基座、下基座、碳纤维杆，所述下基座为两个，每个所述下基座上铰接有一根所述碳纤维杆，所述碳纤维杆的上端铰接在所述上基座上；所述碳纤维杆呈筒状，所述碳纤维杆的侧壁包括多组复合铺层，每组复合铺层包括复合层叠粘接的阻尼铺层和碳纤维铺层。
6.本发明的有益效果是：在有较高尺寸稳定性要求的结构设计中，为避免外部变形对高稳定结构尺寸稳定性的影响，高稳定结构与外部航天器结构之间必须是变形解耦的，一般要求高稳定结构是静定的，这种静定的安装方式被称为运动学安装。本发明的空间相机碳纤维bipod支撑装置，为相机载荷提供了静定的安装方式，其运动学支撑原理为经典的hexapod支撑，主要解决空间相机的安装解耦和耐发射振动环境两个问题。本发明的空间相机碳纤维bipod支撑装置采用碳纤维杆，可通过调整碳纤维杆的铺层材料、铺层厚度、层叠方式等，可以实现碳纤维杆的刚度和阻尼调节，从而适应不同的相机载荷的要求；碳纤维bipod支撑装置能够降低相机载荷的整体振动频率，以相机载荷整体振动的方式吸收大部分的振动能量，从而降低作用在相机自身薄弱部位的振动能量，提升相机载荷的抗振动环境适应能力。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
8.进一步，所述碳纤维杆的侧壁由所述碳纤维杆的侧壁外表面至侧壁内表面，每组
复合铺层中阻尼铺层和碳纤维铺层的铺设顺序为：+45
°
碳纤维铺层、阻尼铺层、-45
°
碳纤维铺层、0
°
碳纤维铺层、阻尼铺层、-90
°
碳纤维铺层。
9.采用上述进一步方案的有益效果是：采用不同铺设方向的碳纤维铺层与阻尼铺层结构，能够快速衰减振动相应，能有效降低相机载荷在主动发射段的动力学响应。
10.进一步，所述碳纤维杆的侧壁包括四组复合铺层。
11.采用上述进一步方案的有益效果是：采用四组复合铺层，能够进一步降低相机载荷的整体振动频率。
12.进一步，每组复合铺层中，碳纤维铺层的厚度为0.125mm，阻尼铺层的厚度为0.125mm。
13.进一步，所述碳纤维铺层采用碳纤维材料与氰酸酯无纬布复合而成。
14.进一步，所述阻尼铺层采用丁基、丙烯酸酯、聚硫、丁腈和硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯或环氧树脂制成。
15.进一步，所述碳纤维杆的两端分别插接固定有杆接头，所述杆接头呈u型结构，所述上基座和下基座上分别设有铰接板，所述铰接板上设有铰接孔，所述碳纤维杆两端的杆接头分别套接在所述上基座和下基座的铰接板上，并通过铰接杆穿过u型结构的杆接头和铰接孔实现杆接头与铰接板的铰接。
16.采用上述进一步方案的有益效果是：采用u型结构的杆接头和铰接板配合，能够实现上下基座与铰接板之间的稳定铰接配合。
17.进一步，所述上基座的两端分别设有一个铰接板，每个所述下基座上设有一个铰接板，所述上基座上的铰接板和下基座上的铰接板均位于同一竖直平面；所述铰接杆与所述铰接板上的铰接孔通过轴承或球铰进行铰接。
18.采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置轴承或球铰，使铰接更加稳定灵活。
19.进一步，所述上基座和下基座上下平行布置，所述上基座和下基座上分别设有多个连接通道。
20.采用上述进一步方案的有益效果是：可利用上下基座上设置的连接通道实现与相机或其他支撑结构的连接固定。
21.一种空间相机装置，包括上述的一种空间相机碳纤维bipod支撑装置，还包括空间相机和支撑板，所述支撑板呈圆形且底部设有三个空间相机碳纤维bipod支撑装置，三个空间相机碳纤维bipod支撑装置沿所述支撑板的周向均匀布置；所述空间相机碳纤维bipod支撑装置的上基座固定在所述支撑板的下表面，所述空间相机固定在所述支撑板的上表面。
22.本发明的有益效果是：本发明的空间相机装置，能够解决空间相机的安装解耦和耐发射振动环境的技术问题，该空间相机装置由三个在圆周内均布的bipod组件组成，形成典型的hexapod支撑，该支撑系统包络6根杆和12个连接点，其中12个连接点采用球铰方式，通过支杆两端的球铰转动来消除平面度不足和热变形对遥感相机的影响。
附图说明
23.图1为本发明空间相机碳纤维bipod支撑装置的立体结构示意图；
24.图2为本发明空间相机碳纤维bipod支撑装置的主视结构示意图；
25.图3为图2中d-d的剖视结构示意图；
26.图4为本发明碳纤维杆的剖视结构示意图；
27.图5为本发明空间相机装置的仰视结构示意图；
28.图6为本发明的试验例所用结构的示意图；
29.图7为本发明x向正弦振动的响应曲线；
30.图8为本发明y向正弦振动的响应曲线；
31.图9为本发明z向正弦振动的响应曲线。
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
33.1、上基座；2、下基座；
34.3、碳纤维杆；31、+45
°
碳纤维铺层；32、阻尼铺层；33、-45
°
碳纤维铺层；34、0
°
碳纤维铺层；35、-90
°
碳纤维铺层；
35.4、杆接头；5、铰接板；6、球铰；7、铰接杆；8、支撑板；9、金属板；91、安装支架；92、测点；93、金属筒。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
37.如图1～图4所示，本实施例的一种空间相机碳纤维bipod支撑装置，包括上基座1、下基座2、碳纤维杆3，所述下基座2为两个，每个所述下基座2上铰接有一根所述碳纤维杆3，所述碳纤维杆3的上端铰接在所述上基座1上；所述碳纤维杆3呈筒状，所述碳纤维杆3的侧壁包括多组复合铺层，每组复合铺层包括复合层叠粘接的阻尼铺层32和碳纤维铺层。
38.如图4所示，本实施例的所述碳纤维杆3的侧壁由所述碳纤维杆3的侧壁外表面至侧壁内表面，每组复合铺层中阻尼铺层32和碳纤维铺层的铺设顺序为：+45
°
碳纤维铺层31、阻尼铺层32、-45
°
碳纤维铺层33、0
°
碳纤维铺层34、阻尼铺层32、-90
°
碳纤维铺层35。各个碳纤维铺层和阻尼铺层通过粘接固定。采用不同铺设方向的碳纤维铺层与阻尼铺层结构，能够快速衰减振动相应，能有效降低相机载荷在主动发射段的动力学响应。
39.本实施例的一个优选方案为，所述碳纤维杆3的侧壁包括四组复合铺层，即每六层铺层一个循环，共四个循环。采用四组复合铺层，能够进一步降低相机载荷的整体振动频率。当然，也可以根据需要设置三组、五组或其他多组复合铺层，通过调节复合铺层的厚度来调节碳纤维杆的刚度和阻尼。
40.具体的，每组复合铺层中，碳纤维铺层的厚度为0.125mm，阻尼铺层32的厚度为0.125mm。
41.本实施例的一个进一步方案为，所述碳纤维铺层采用碳纤维材料与氰酸酯无纬布复合而成。此处的碳纤维材料也可以是m55j纤维、m40，t700，t800等其他碳纤维材料。
42.其中，所述阻尼铺层32采用丁基、丙烯酸酯、聚硫、丁腈和硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯或环氧树脂制成。
43.具体的，如图1～图3所示，本实施例的所述碳纤维杆3的两端分别插接固定有杆接头4，所述杆接头4呈u型结构，所述上基座1和下基座2上分别设有铰接板5，所述铰接板5上设有铰接孔，所述碳纤维杆3两端的杆接头4分别套接在所述上基座1和下基座2的铰接板5上，并通过铰接杆7穿过u型结构的杆接头4和铰接孔实现杆接头4与铰接板5的铰接。采用u
型结构的杆接头和铰接板配合，能够实现上下基座与铰接板之间的稳定铰接配合。
44.如图1～图3所示，本实施例的所述上基座1的两端分别设有一个铰接板5，每个所述下基座2上设有一个铰接板5，所述上基座1上的铰接板5和下基座2上的铰接板5均位于同一竖直平面；所述铰接杆7与所述铰接板5上的铰接孔通过轴承或球铰6进行铰接。通过设置轴承或球铰，使铰接更加稳定灵活。
45.如图1和图2所示，本实施例的所述上基座1和下基座2上下平行布置，所述上基座1和下基座2上分别设有多个连接通道。可利用上下基座上设置的连接通道实现与相机或其他支撑结构的连接固定。
46.在有较高尺寸稳定性要求的结构设计中，为避免外部变形对高稳定结构尺寸稳定性的影响，高稳定结构与外部航天器结构之间必须是变形解耦的，一般要求高稳定结构是静定的，这种静定的安装方式被称为运动学安装。本实施例的空间相机碳纤维bipod支撑装置，为相机载荷提供了静定的安装方式，其运动学支撑原理为经典的hexapod支撑，主要解决空间相机的安装解耦和耐发射振动环境两个问题。本实施例的空间相机碳纤维bipod支撑装置采用碳纤维杆，可通过调整碳纤维杆的铺层材料、铺层厚度、层叠方式等，可以实现碳纤维杆的刚度和阻尼调节，从而适应不同的相机载荷的要求；碳纤维bipod支撑装置能够降低相机载荷的整体振动频率，以相机载荷整体振动的方式吸收大部分的振动能量，从而降低作用在相机自身薄弱部位的振动能量，提升相机载荷的抗振动环境适应能力。
47.如图5所示，本实施例还提供了一种空间相机装置，包括上述的一种空间相机碳纤维bipod支撑装置，还包括空间相机和支撑板8，所述支撑板8呈圆形且底部设有三个空间相机碳纤维bipod支撑装置，三个空间相机碳纤维bipod支撑装置沿所述支撑板8的周向均匀布置；所述空间相机碳纤维bipod支撑装置的上基座1固定在所述支撑板8的下表面，所述空间相机固定在所述支撑板8的上表面。
48.本实施例的空间相机装置，能够解决空间相机的安装解耦和耐发射振动环境的技术问题，该空间相机装置由三个在圆周内均布的bipod组件组成，形成典型的hexapod支撑，该支撑系统包络6根杆和12个连接点，其中12个连接点采用球铰方式，通过支杆两端的球铰转动来消除平面度不足和热变形对遥感相机的影响。bipod组件由两个碳纤维杆、两个下基座和一个上基座组成。每组bipod组件设计了4个球形铰接节点，选用4个一样的关节轴承实现，两组碳纤维杆完全一致，基座也完全一样，设计的通用性和可替换性强。
49.试验例
50.为了验证本实施例的空间相机碳纤维bipod支撑装置的动力学特性，进行了试验验证。用于三角形的金属板模拟空间相机的相机主体，用金属筒93模拟了相机次镜筒，如图6所示，将三角形的金属板9通过倒v型的安装支架91安装在三个空间相机碳纤维bipod支撑装置上，分别在三个支撑的顶部放置测点92来测量支撑底部和顶部的响应曲线。本次试验用振动台为航天希尔15吨振动台，型号：mpa3324/h1248a，vr的控制仪器，型号:vr9500。试验方向如图6所示，分别为x/y/z三向。
51.x向正弦振动如图7所示，ch4、ch7、ch10是三个支撑顶部的x向正弦响应曲线，可见在支撑顶部的放大不到2倍。没有明显的共振峰出现，振动峰很平缓，阻尼较大。
52.y向正弦振动如图8所示，ch5、ch8、ch11是三个支撑顶部的y向正弦响应曲线，可见在支撑顶部的放大不到2.5倍，没有明显的共振峰出现，振动峰很平缓，阻尼较大。
53.z向正弦振动如图9所示，ch6、ch9、ch12是三个支撑顶部的z向正弦响应曲线，可见在支撑顶部的放大不到1.5倍，没有明显的共振峰出现，振动峰很平缓，阻尼较大。
54.由振动试验结果可以看出，本实施例的空间相机碳纤维bipod支撑装置除了提供必要的变形应力卸载外，还能给相机设备提供良好的减振，系统阻尼较大，在相机安装点位置振动响应没有明显放大。
55.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
56.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
57.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
58.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
60.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。