空间多光谱成像的旋转滤光轮机构动力学试验研究_王跃.pdf

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Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China Abstract Time- sharing acquisition of the spectral ination in different spectral bands is the premise of the spatial multispectral imaging． In order to meet the requirement of the spectral subdivision in multispectral imaging of a satellite camera，a spectrometer device was designed in this paper． The filter wheel drive mechanism was designed to achieve high precision and high stability cut- in and cut- out optical path through a large diameter angular contact ball bearing peripheral driven by stepper motor． The dynamic characteristics of the mechanism were validated by numerical model and modal test． The effectiveness of the filter wheel for the launch environment was analyzed by swept sine test and random vibration test． The ground micro- vibration test was used to describe the on- orbit stability for the filter wheel． The numerical analysis and experimental results indicate that the filter wheel guarantees both the structural safety and on- orbit stability requirement． This kind of peripheral driven filter wheel with large thin- walled bearings provides a new for the space application of the large aperture satellite camera． Key wordssatellite camera;filter wheel mechanism;modal test;micro- vibration GF －4 是世界首颗地球同步轨道高分辨率面阵凝 视卫星相机 ［1 ］， 它具有大视场、 高时间分辨率、 高空间 分辨率的特点， 因此被广泛用于地球资源详查、 地形测 绘、 海洋研究、 城市建设、 农业发展、 气象预报等领域。 GF －4 卫星相机具备可见光近红外与中波红外双成像 通道， 成像过程中不仅需要单视场单谱段的连续成像， 还要求实现多视场多谱段的步进成像。为了分时获取 不同谱段的光谱信息， 卫星相机中需设计一种高精度、 高稳定性分光器装置， 通过运动机构驱动滤光片切入 切出从而实现光谱细分。由于滤光片紧邻探测器， 滤 光片切换机构在轨全寿命周期中需要频繁切换光路， 因此设计一种构造简单、 高刚度、 高可靠性的滤光片切 换机构是保障相机在轨清晰成像的前提。 国际上， 美国詹姆斯韦伯太空望远镜中设计了一 种携带 18 片不同谱段滤光片的滤光轮机构， 滤光轮以 中心支撑的方式采用直流无刷力矩电机驱动， 采用二 硫化钼固体润滑轴承实现轮盘转动［2 －3 ］。相似的旋转 滤光轮机构应用于欧空局欧几里得卫星中［4 ］。这类中 心支撑的滤光轮通常使用的轴承尺寸小、 摩擦力矩相 ChaoXing 对较小， 但滤光轮机构的刚度偏低。在大尺寸滤光片 的应用需求中， 中心支撑的滤光轮将导致机构尺寸变 大， 增加机构安装难度与动平衡调整难度 ［5 ］。当滤光 片口径变大或滤光片数量增多时， 设计一种大直径周 边支撑滤光轮可以有效增加机构的结构刚度， 有利于 提高滤光轮机构在发射段的力学环境承载性能。 除了承受发射载荷 ［ 6 －7 ］之外， 滤光轮机构还需满足 高低温、 高真空、 微重力和强辐射等空间恶劣环境。由于 空间环境与地面测试环境差异大， 空间结构的在轨性能 与地面试验性能也存在很大不同， 通过数值预测方法对 结构进行模态分析、 随机振动分析等在航天器的结构设 计、 制造和地面试验中起着重要作用 ［ 8 ］。通过不同的预 示方法分析滤光轮机构的动力学特性， 使仿真分析与实 验结果吻合， 是空间结构动态分析的有效手段 ［ 9 －10 ］。 本文设计了一种大尺寸周边驱动的旋转滤光轮， 采用步进电机驱动轮盘实现滤光片的切换。通过有限 元分析预示结构的动力学特性， 并对机构进行模态试 验、 力学扫频试验以及微振动试验验证机构的可靠性。 1滤光轮机构设计 图 1 描述了可见光成像过程中的旋转滤光轮机构 示意图， 滤 光 轮 的 轮 盘 内 径 为 Ф104 mm， 外 径 为 Ф363 mm， 共承载5 片96 96 12 mm3的滤光片， 开窗 位置相隔72， 轮盘轴向厚度尺寸约为 65 mm。其中， 可 实现成像的五种细分光谱谱段分别为 0． 45 ～ 0． 9 μm， 0． 45 ～ 0． 52 μm， 0． 52 ～ 0． 6 μm， 0． 63 ～ 0． 69 μm， 0． 76 ～0． 9 μm。 图 1可见光成像中的旋转滤光轮 Fig． 1The filter wheel in visible imaging GF －4 卫星相机的旋转滤光轮采用了大直径滚珠 轴承的周边支撑设计， 可有效提高结构刚度。滤光轮 机构的构成如图 2 所示， 滤光轮带有 5 个不同光谱透 过率的方形滤光片， 轮盘与周圈支撑结构通过成对使 用的大尺寸角接触球轴承连接。步进电机安装在周圈 支撑结构上， 小齿轮连接在步进电机轴上， 电机通电运 转时小齿轮与轮盘外圈齿啮合， 驱动滤光轮盘进行旋 转， 大小齿轮传动系统的传动比为 1 ∶ 10． 5。霍尔式磁 感应位置传感器安装在支撑结构上， 每个滤光片上均 粘贴永磁体， 轮盘中的相应滤光片运行到光路指定位 置时， 会将霍尔传感器发出的位置信号反馈给相机控 制系统， 通过电机断电实现轮盘定位， 实现相机成像。 图 2滤光轮机构的爆炸图 Fig． 2Exploded view of the filter wheel mechanism 图 3 描述了旋转滤光轮的设计与发展情况。两个 大直径薄壁角接触球轴承成对使用， 如图3 a ， 轴承的 内径和外径分别为 355． 6 mm， 374． 65 mm， 宽度为 9． 525 mm。单个轴承的重量为 0． 649 kg， 轴承套圈和 滚珠由不锈钢 9Cr18 制成， 轴承内外圈及滚珠均采用 溅射 MoS2的方式形成真空固体润滑膜。轮盘及周圈 支撑结构均由钛合金制成， 结构如图 3 b 所示。轮盘 采用轴对称分布设计， 确保转盘的质心与旋转中心重 合减少静态不平衡， 滤光轮转盘的重量约为 2． 9 kg。 滤光轮组件电机驱动的小齿轮材料为聚酰亚胺， 与其 啮合的转盘材料为钛合金， 聚酰亚胺材料具有良好的 空间自润滑性能， 同时可以避免同种材料轮齿啮合造 成的真空冷焊。完成结构装配的滤光轮组件如图 3 c ， 集成 5 谱段滤光片的最终产品如图 3 d 所示。 2模态分析与模型校验 对旋转滤光轮进行模态分析与试验研究， 滤光轮 的三维模型如图4 a 所示。首先构建该组件的有限元 模型， 其中共包含的单元和节点数分别为 11 144 和 16 707， 模型结构如图 4 b 。各部件的连接界面包含 螺钉连接、 轴承配合以及橡胶粘接， 其中， 螺钉连接采 用一维梁单元模拟， 轴承配合采用径向均布一维梁单 元模拟， 橡胶粘接采用三维实体单元共节点连接方式 进行模拟。为测量滤光轮组件模态振型， 首先准确获 取悬吊试验中的模拟自由 － 自由边界， 为创造“超静” 试验条件， 需确保悬吊系统刚度低于 1 Hz。如图 4 c 所示， 滤光轮由三个弹性绳自由悬挂， 试验中采用 36 个三向加速度传感器覆盖整个滤光轮结构表征节点， 以有效构建测试节点网络。采用锤击法激励滤光轮的 结构模态， 采集设备为 LMS 信号采集仪并设置采样频 201振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 图 3滤光轮机构产品设计 Fig． 3The development of the filter wheel assembly 图 4滤光轮模态测试试验 Fig． 4Model test of the filter wheel 率为4 096 Hz。通过重复测量获得有效的响应信号， 测 试模型如图 4 d 所示。 取滤光轮的前五阶弹性模态进行对比分析， 计算 模态频率与实测模态频率见表 1， 各阶模态振型对比如 图 5 所示， 对其描述如下 第一阶是沿垂直面的弯曲模 态; 第二阶是沿对角面的弯曲模态; 第三阶是沿 Z 方向 的上下振动; 第四阶和第五阶是沿各方向上各阶弯曲 模态的组合。通过分析对比可知， 滤光轮结构的实测 振型与计算模态振型具有较高的相关性， 测试数据和 计算结果的对比验证了滤光轮模型的准确性， 同时表 明了滤光轮悬吊模态测试法的有效性。 表 1滤光轮前五阶模态频率 Tab． 1The first five mode frequencies of the filter wheel 模态振型有限元分析/Hz 测试分析/Hz相对误差/ 1228． 77218． 894． 51 2297． 53306． 132． 81 3331． 8338． 051． 85 4549． 06581． 485． 58 5567． 96623． 758． 94 3发射与在轨振动试验 3． 1发射环境力学试验 为验证滤光轮在卫星发射环境载荷下的有效性， 对滤光轮机构进行了正弦及随机振动试验。图6 a 给 出了试验测点布置情况， 滤光轮机构通过振动工装连 图 5滤光轮前五阶模态振型 Fig． 5The first five mode shapes of the filter wheel 301第 10 期王跃等空间多光谱成像的旋转滤光轮机构动力学试验研究 ChaoXing 接到振动台面上， 采用三个加速度传感器 A1、 A2、 A3 作为测试点， 一个加速度传感器 B1 粘贴在振动工装上 作为控制点。 图 6 b～ 图 6 d 分别给出了三个方向滤光轮 鉴定级正弦振动试验曲线。其中， X 向最大响应在 25． 7 Hz、 幅值为 6． 448g， 共振放大率约 1． 84 倍。Y 向最大响应在 26． 4 Hz、 幅值为 5． 158g， 共振放大率 约 2． 06 倍。Z 向 最 大 响 应 在 77． 8 Hz、 幅 值 为 7． 591g， 共振放大率约 2． 53 倍。由三方向正弦振 动曲线分析可知， 旋转滤光轮组件在 5 ～ 100 Hz 内 均无明显共振放大， 三向响应放大率最大约为 2． 53 倍， 为滤光轮机构局部模态。旋转滤光轮机构鉴定 级正弦振动试验表明滤光轮组件在低频范围内具备 足够刚度。 图 7 a～ 图 7 c 分别给出了三个方向上滤光轮 鉴定级的随机振动试验结果。其中， X 向总均方根响 应加速度为 5． 81 grms， Y 向总均方根响应加速度为 4． 97 grms， Z 向总均方根响应加速度为 5． 88 grms。X， Y， Z 三个方向的一阶频率分别出现在 500 Hz， 200 Hz 和 412 Hz。通过仿真计算与随机响应功率谱密度曲线 可以得知， Y 向测试基频与仿真计算结果基本吻合。鉴 定级正弦及随机振动试验过后， 滤光轮组件运转状态 良好， 其刚度及精度可承受鉴定级力学环境试验考核， 满足卫星发射阶段的强度要求。 图 6滤光轮正弦扫频试验结果 Fig． 6Swept sine test results of the filter wheel 图 7滤光轮随机振动试验结果 Fig． 7Random vibration test results of the filter wheel 3． 2在轨微振动试验 滤光轮机构的微振动是由于在轨运行时齿轮啮合 产生的啮合冲击及滚动轴承特性产生的。由于滤光轮 机构离相机可见光焦面探测器最近， 必须要对滤光轮 机构进行微振动测试， 获取滤光轮机构运行状态的微 振动特性， 为相机在轨微振动对成像质量影响分析提 供数据参考。 图 8 给出了微振动测试平台的构成。测试系统由 气浮隔振平台、 数据采集单元、 三个加速度传感器和计 算机组成。加速度传感器粘贴在滤光轮外支撑安装接 口位置， 对滤光轮电机通电使其运转， 采集设备获取微 振动响应信号如图 9 所示。图 9 a～ 图 9 c 分别是 三个传感器 A1、 A2、 A3 三个方向的微振动响应。从测 试数据分析， 微振动响应呈周期性变化， 频率约为50 Hz， 与步进电机驱动频率 50 Hz 相吻合。由图 8 可知， 图 8微振动测试设置 Fig． 8Microvibration test setup of the filter wheel 401振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 滤光轮机构在轨运行过程中的微振动源为步进电机驱 动滤光轮盘转动过程中， 小齿轮带动大齿轮运行过程 由于齿侧隙的存在而发生的轮齿之间拍击造成。图 9 c 的时域响应曲线幅值最大， 这是由于 A3 测点距离 电机最近。滤光轮的最大振幅为 A3 测点的 Y 方向， 幅 值为 0． 35g。由于滤光轮盘存在结构阻尼， 其余测点的 测试信号在滤光轮盘上的传递路径相对较远， 因此其余 测点的微振动测试信号相对 A3 测点均有衰减。通过微 振动响应测试， 滤光轮盘微振动响应量级在卫星相机多 光谱成像的许用范围之内， 不影响相机成像质量。 图 9微振动响应测试结果 Fig． 9Microvibration response of the filter wheel 4结论 本文设计了一种高精度、 高稳定性分光器装置， 通 过周边安装的步进电机驱动大尺寸角接触球轴承实现 滤光片频繁的切入切出运动。该设计方案采用了大尺 寸薄壁轻型轴承周圈支撑轮盘构型， 突破了大径厚比、 高轻量化周圈支撑结构构型技术; 采用二硫化钼固体 润滑以及结构静平衡预处理的方法， 实现了大型滤光 轮装置的快速、 高可靠、 高稳定在轨运行; 开展了该组 件模态试验、 力学扫频试验以及微振动试验， 得到了滤 光轮结构的动力学特性、 在轨刚度及微振动特性。通 过数值分析与试验， 验证了滤光轮机构满足高分辨率 卫星相机空间应用的稳定性要求。本文提供的大尺寸 周边驱动滤光轮机构方案为后续空间高分辨率面阵多 光谱成像相机提供了设计参考。 参 考 文 献 ［1］ 马文坡， 练敏隆． “高分四号” 卫星凝视相机的技术特点 ［ J］ ． 航天返回与遥感， 2016， 37 4 26 －30． MA Wenpo，LIAN Minlong． Technical characteristics of the staring camera on board GF － 4 satellite ［J］ ．Spacecraft Recovery and Remote Sensing， 2016， 37 4 26 －30． ［2］ WRIGHT G S，WRIGHT D，GOODSON G B，et al． The mid- infrared instrument for the James Webb Space Telescope， IIdesign and build ［J］ ． Publications of the Astronomical Society of the Pacific， 2015， 127 595 －611． ［3］ LEMKE D，BHM A，BONIS DE F，et al． 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