本发明专利技术为一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，包括镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)、以及焦平面框(5)。焦平面框(5)是相机焦平面组件的主承力结构，用于安装相机成像探测器、焦面电路板以及焦面热控组件等，采用陶瓷基碳纤维复合材料整体成型而成。树脂基碳纤维复合材料具有较低的热膨胀系数，同时具有较好的刚度及阻尼特性，可显著提高光机结构的力学性能及热稳定性。陶瓷基复合材料同样具有较低的热膨胀系数，同时具有较高刚度、高热导率等特点更加实用于具有较大内热源的焦面组件的散热，结合热管等散热设计可以实现焦面组件较高的控温精度，从而保证空间光学遥感相机成像几何稳定性。间光学遥感相机成像几何稳定性。间光学遥感相机成像几何稳定性。
【技术实现步骤摘要】
一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构
[0001]本专利技术属于空间光学遥感
，涉及一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构。
技术介绍
[0002]随着幅宽、分辨率等指标的大幅提升，空间光学遥感相机结构尺寸显著增加，在轨热变形对相机几何定位精度乃至成像质量均会产生一定影响。为此提高相机热控精度和采用新型高性能材料研制高稳定性光机结构是保证大口径空间光学遥感相机几何稳定性的两个主要途径。目前空间遥感相机热控精度已经能够实现镜头
±
1℃甚至更高的精度，进一步提高控温精度将使卫星付出较大的功耗等资源代价，为此从光机结构优化设计以及新型高性能材料选用成为主要研究方向；
[0003]树脂基碳纤维复合材料具有密度小、低线膨胀系数、高刚度、高强度等特点，是较理想的空间光学结构设计材料。但该材料属于非金属材料，真空中存在释放可凝性挥发物以及树脂吸湿后发生膨胀变形及机械性能不稳定问题，另外材料的各向异性特性使其在结构件设计过程更加复杂。上述问题一定程度的限制了其在空间光学遥感相机中的大量应用，主要作为一些简单的杆件、筒式结构的部件材料。随着复合材料加工技术和仿真设计手段的不断进步，上述问题逐步得到解决，为期在空间光学相机结构上的广泛应用奠定了技术基础。
[0004]陶瓷基碳纤维复合材料是近十年来发展起来的新型高性能碳纤维复合材料，不仅解决了树脂基碳纤维复合材料的真空挥发以及吸湿膨胀的问题，并且材料刚度、强度、导热系数等综合性能大幅提升，国内多个空间遥感相机的光机部件设计中被选用。但由于其制造工艺复杂、成品率低、成本高，一定程度上限制了其广泛应用，主要用于一些关键承力结构件。
技术实现思路
[0005]本专利技术解决的技术问题：克服现有技术不足，提出一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，基于改进型树脂基碳纤维复合材料对真空挥发特性和吸湿膨胀特性的显著改进，给出了一种结合选用树脂基和陶瓷基碳纤维复合材料的全碳纤维光机结构设计方案，该方案具有重量轻、刚度高，显著提高相机在轨稳定性。
[0006]本专利技术的具体技术方案如下：一种全碳纤维高稳定性的空间相机光机结构，其特征在于包括：镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)以及焦平面框(5)；
[0007]镜头主框架(1)，为筒式框架，侧面设有入光口，一三镜支撑背板(2)安装在镜头主框架(1)底部，四镜框(3)安装在镜头主框架(1)的顶部，光阑(4)安装于镜头主框架(1)内，朝向入光口；
[0008]焦平面框(5)安装在一三镜支撑背板(2)；
[0009]镜头主框架(1)，作为空间相机的主承力结构；一三镜支撑背板(2)用于安装相机
的两个反射镜组件及焦平面框；
[0010]四镜框(3)，用于安装相机四镜；
[0011]光阑(4)表面喷涂消杂光黑漆，抑制进入空间相机的杂光。
[0012]焦平面框(5)，用于为相机探测器组件、焦面电路组件以及热控组件提供固定安装接口。
[0013]优选的，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)通过螺接或者铆接的形式组装为一个整体成为相机镜头光学组件的主承力结构，用于为各反射镜组件提供稳定的结构支撑，并提供相机与卫星之间的安装接口，确保在实验室光学装调及在轨成像状态具有良好的结构稳定性；
[0014]一三镜支撑背板(2)为一镜(21)、三镜(22)以及焦平面框(5)提供支撑。一镜和三镜的支撑结构通过法兰盘(23)固定在一三镜支撑背板(2)上，二者之间设计有厚度可调整的调整垫片(24)，可以在反射镜装调过程中通过修配调整垫片(24)的厚度实现调整反射镜的轴向位置和角度。四镜(31)以相同的固定方式通过三点安装在四镜框(3)上，二镜(12)通过二镜框(11)安装于主框架(1)上。
[0015]优选的，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)选用树脂基碳纤维复合材料。采用碳纤维缠绕一体成型技术，根据结构件力学特性需求选取具有较高弹性模量的M55纤维牌号，根据光学镜头轴向长度尺寸稳定性公差要求及光学镜头结构控温水平进行纤维铺层设计，确保最终结构件线膨胀系数满足如下公式要求：
[0016][0017]式中：
[0018]ρ
镜头结构-树脂基碳纤维复合材料热膨胀系数；
[0019]L
镜头-光学镜头轴向长度尺寸；
[0020]ΔL
镜头-光学镜头轴向长度尺寸稳定性允许变化量；
[0021]Δt-光学镜头工作期间温度变化范围；
[0022]优选的，光阑板(4)的首要作用是抑制相机系统杂光，其表面喷涂消杂光黑漆；通过光阑板(4)确保没有视场外的非成像光可以到达镜头的成像光出光口，起到很好的消杂光作用。另外，本设计将光阑板(4)的结构增加了加强筋，将光阑板(4)厚度增加到3mm，并四周通过铆钉与主框架(1)可靠连接，这样其在主框架(1)中间起到对主框架(1)结构的加强作用，显著提高镜头主框架(1)的结构刚度.
[0023]优选的，镜头主框架(1)与一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、之间螺纹连接以及具有配合精度要求的一三镜支撑背板(2)与法兰盘(23)机械接口通过在碳纤维复合材料中预埋钛合金、铝合金或者各型号钢制预埋件实现，通过对预埋件结构进行翻边设计，并在金属结构件与复合材料结构之间进行胶接处理，确保两者之间可靠连接，不松动，如附图4所示；
[0024]优选的，焦平面框(5)选用陶瓷基碳纤维复合材料。采用碳纤维三维编织成预置体然后通过反应烧结成型。
[0025]优选的，焦平面框(5)采用陶瓷基碳纤维复合材料，为相机探测器组件、焦面电路组件以及热控组件提供固定安装接口，确保相机成像期间焦面组件在给定的温度变化范围
内，焦平面框长度方向的总变形量不超过一定的值；以确保光学成像的几何精度。根据上述设计需要按照如下公式确定陶瓷基碳纤维复合材料的热膨胀系数要求：
[0026][0027]式中：
[0028]ρ
焦平面框-焦平面框碳碳化硅材料热膨胀系数；
[0029]L
线阵-焦平面成像线阵长度；
[0030]ΔL
线阵-焦平面成像线阵长度允许变化量；
[0031]Δt-焦平面结构框工作期间温度变化范围。
[0032]焦平面框(5)研制时，通过碳纤维铺层设计以及调整碳化硅体积分数来实现所需要的线膨胀系数。
[0033]优选的，镜头光学腔体内部的复合材料结构件表面喷涂消杂光黑漆以抑制系统杂光。
[0034]本专利技术相比现有技术具有以下有益效果：
[0035](1)本专利技术采用具有相同线膨胀系数不同基体的碳纤维复合材料作为相机光机结构材料，使相机整体材料热膨胀一致性较好，且处于较低的水平，更有利于保证在轨热交变载荷下结构的稳定性，从而保证相机成像及几何定位精度的稳定性。
[0036](2)本专利技术综合树脂基碳纤维复合材料和陶瓷基碳本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种全碳纤维高稳定性的空间相机光机结构，其特征在于包括：镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)以及焦平面框(5)；镜头主框架(1)，为筒式框架，侧面设有入光口，一三镜支撑背板(2)安装在镜头主框架(1)底部，四镜框(3)安装在镜头主框架(1)的顶部，光阑(4)安装于镜头主框架(1)内，朝向入光口；焦平面框(5)安装在一三镜支撑背板(2)；镜头主框架(1)，作为空间相机的主承力结构；一三镜支撑背板(2)用于安装相机的两个反射镜组件及焦平面框；四镜框(3)，用于安装相机四镜；光阑(4)表面喷涂消杂光黑漆，抑制进入空间相机的杂光；焦平面框(5)，用于为相机探测器组件、焦面电路组件以及热控组件提供固定安装接口。2.根据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑(4)通过螺接或者铆接的形式组装为一个整体成为相机镜头光学组件的主承力结构，用于为各反射镜组件提供稳定的结构支撑，并提供相机与卫星之间的安装接口，确保在实验室光学装调及在轨成像状态具有良好的结构稳定性；一三镜支撑背板(2)为一镜(21)、三镜(22)以及焦平面框(5)提供支撑；一镜和三镜的支撑结构通过法兰盘(23)固定在一三镜支撑背板(2)上，二者之间设计有厚度可调整的调整垫片(24)，可以在反射镜装调过程中通过修配调整垫片(24)的厚度实现调整反射镜的轴向位置和角度；四镜(31)以相同的固定方式通过三点安装在四镜框(3)上，二镜(12)通过二镜框(11)安装于主框架(1)上。3.根据权利要求1所述的一种全碳纤维高稳定性空间相机光机结构，其特征在于，镜头主框架(1)、一三镜支撑背板(2)、四镜框(3)、光阑板(4)选用树脂基碳纤维复合材料；采用碳纤维缠绕一体成型方式，根据结构件力学特性需求选取具有较高弹性模量的M55纤维牌号，根据光学镜头轴向长度尺寸稳定性公差要求及光学镜头结构控温水平进行纤维铺层设计，确保最终结构件线膨胀系数满足如下公式要求：式中：ρ
镜头结构-树脂基碳纤维复合材料热膨胀系数；L
镜头-光学镜头轴向长度尺寸；ΔL
镜头-...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡伟军，范斌，高卫军，丁世涛，李富强，范俊杰，胡睿，张凤芹，罗廷云，丁锴铖，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：
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