摘 要:空间太阳望远镜主镜是有效口径为1m的抛物面镜,工作状态需要达到衍射极限,因此光学系统要求主镜面形误差小于λ/40 (RMS),精度主要靠主镜支撑结构来保证。主镜支撑结构应满足地面调试、在轨及发射状态的需要。支撑结构试验样机已经加工完成,地面调试结果表明主镜的镜面变形满足整个光学系统的要求。试验样机强度和刚度还有较大余量,结构本身比较复杂。用有限元分析方法进行优化设计,优化后的主镜支撑结构满足地面调试、在轨及发射状态的需要,也能保证主镜的面形满足整个光学系统的要求,有效减轻仪器重量、简化支撑结构的同时,提高了整个仪器的可靠性。
0 引 言
空间太阳望远镜(SPACe Solar Telescope,简称SST)是中国第一个空间天文科学项目。它的总体科学目标是通过协调的、多波段的、高分辨率的和不间断的观测,探测太阳大气中磁流体力学和磁流体力学过程中各种瞬变和稳态现象,实现太阳物理学的重大突破[1]。主光学望远镜(Main Optical Tele-scope,简称MOT)是空间太阳望远镜中五个有效载荷中最重要的一个,主镜是有效口径为1m的抛物面反射镜,对完成空间太阳望远镜的科学目标起着决定性作用。SST的主镜室包括主镜及其支撑系统,是1m主镜的主要承载结构,既要满足高精度的光学要求,又要满足特殊的空间环境要求,具体应满足的要求有[2]:
(1)主镜在地面重力载荷及空间热辐射环境的综合影响下,镜面变形必须小于0.015μm (rms.);
(2)足够的刚度,结构静变形小,防止卫星入轨后在无重力的空间环境下结构变形的回弹量超出允许值;足够的强度,能承受仪器静力和运载的动力载荷,防止发射环境造成永久变形;以主镜室与主构架的连接面为全约束边界条件计算,横向基频必须大于30Hz ;纵向基频大于50Hz。
试验样机已经设计加工完成,并且通过光学装校,满足整个光学系统的要求。在SST主镜和主镜室试验样机的基础上,针对其存在的一些问题,对主镜室提出改进的新想法。
(a)消除光路中的挡光问题
主镜室试验样机径向支撑在主镜的反射表面,机械结构对光路会产生影响;新方案考虑使用的支撑方式不在主镜反射面上,有效地消除了挡光带来的影响。
(b)主镜支撑结构简化
试验样机支撑结构复杂,发射状态到在轨状态需要特定装置来完成支撑方式的改变,并且刚度足够;新方案要简化主镜室,希望发射状态到在轨状态使用同样的支撑方式,简化结构,提高可靠性,减轻重量。
1 SST主镜支撑结构试验样机的设计
该系统设计要兼顾地面调试、发射以及入轨后的正常工作三种状态,试验样机如图1所示。
发射状态主要要求克服加速度、冲击、振动的影响,保证在此环境下主镜及其支撑结构满足强度要求。支撑结构设计主要考虑以下几个原则[3]:
(a)多点支撑和压紧力共线原则
发射状态的加速度特点是纵向大大高于横向,向前大大高于向后,因此主镜的轴向支撑特别是背面的支撑显得特别重要。主镜的扁平形状决定了在发射环境下其变形将以弯曲变形为主。多点支撑可减少主镜的弯曲应力,应尽量增加轴向支撑点数目。轴向支撑点2处于主镜背面,每一支撑点都有一相应的压紧点1作用,两者应处于同一平行于望远镜光轴的直线上(否则会有力矩产生,引起镜面变形)。主镜正面的挡光面积越小越好,因此支撑点及其压紧力点只能安排在镜子边缘。
(b)静定设计
采用静定设计可以避免“过定位”引起的弯曲变形。本系统采用边缘六点浮动支撑零件。首先每两点处于一个杠杆零件(浮动支撑梁)5的两端,从而符合“静定原则”,其次每个杠杆通过一个活动铰链6连接到基框3(基框为一用钛合金制成的三角形框架结构,有较好的轴向刚度)之上。六对支撑———压紧力点处于主镜外缘的六个等分点上,按发射最大加速度计算,每个点上的压紧力约为l000N。这样使整个支撑系统处于“静定”状态。
(c)径向压紧定位
径向定位由基框上的两个间隔120°的固定点来实现,主镜外圆靠在此两点之上,为了减少基框与主镜热膨胀不一致对光学系统的影响,上述两径向固定点到基框中心分别采用二根铟瓦合金杆来补偿。与此两点相隔120°的零件上,由弹簧提供一个较大的压紧力。在此压紧力的作用下,主镜可以安全地承受横向1.2g的加速度作用而不发生与定位点的脱离。
2 试验样机有限元计算结果
2.1 力学分析条件
(1)光学条件
MOT系统要求主镜的镜面面形精度为λ/40(rms),λ=0.4~0.6μm,期间准直镜通过3根铟瓦合金杆与主镜连接,并依靠准直镜上的位移促动器进行调整,即:要求包括地面重力影响及在轨空间热辐射作用引起的主镜镜面变形总量必须小于0.015μm(rms)。
(2)频率条件
根据运载火箭(LM_4)对有效载荷发射时的动态基频要求:横向大于30Hz和纵向大于50Hz。发射状态下太低的自振频率将与火箭的低频振动耦合而产生共振,这是不允许的。
(3)准静力分析条件
按照“CZ_4B”用户手册,加入安全系数后,主镜室将受到:横向3.6g、纵向11.6g和反向-2g加速度载荷的综合作用力。在此载荷下,结构承受的最大应力必须小于材料的屈服极限,以保证不产生永久变形。
2.2 材料的物理特性
以下列出了主镜室中应用的材料的物理特性[2],如表1所示。
2.3 计算结果
(1)地面调试状态镜面变形误差分析
在地面调试状态,主镜水平放置,主镜室结构必须保证自重引起的主镜面形精度小于0.015μm(rms),否则,当卫星处于空间无重力状态工作时,镜面变形的反弹量将超过允许值。经典的18点卸荷系统[4]是最有效的卸荷方法之一,系统中的可变杠杆机构的调整原理如图2所示。主镜室中的18点支撑如图1中机构4所示。
通过地面装校,得到主镜的镜面变形误差小于λ/40,这说明主镜的卸荷装置满足光学要求。
(2)试验样机模态计算结果
建模计算得到的前三阶模态为70.65Hz,136.67Hz,136.67Hz,可以看出整体的刚性比较好,模态振型如图3所示。
(3)“准静力载荷”对应的应力分析
施加“准静力载荷”,对结构进行应力分析,获得结构的最大应力[2],主要分析3种材料所受的最大应力,与材料的屈服极限进行对比,结果如表2所示。
结果表明:每种材料所受的最大应力远远小于材料本身的屈服极限,微晶玻璃材料受最大应力是材料屈服极限的1/4;铟瓦合金材料受最大应力是材料屈服极限的1/100;钛合金材料受最大应力是材料屈服极限的1/100。这说明结构的强度足够,主镜室结构在卫星发射时受到环境冲击不会产生永久变形。
3 改进方案的提出
在SST主镜和主镜室的试验样机基础上,针对其存在的问题,对主镜室提出改进的新方案。
3.1 改进目的
(1)消除光路中的挡光问题
(2)主镜支撑结构简化
SST主镜室要兼顾地面调试、发射以及入轨后的正常工作三种状态。地面调试时,望远镜处于垂直状态,即主镜水平放置,光学反射面向上,主要考虑重力对镜面变形的影响,因此需要卸荷装置来模拟主镜实际工作状态;发射状态主要要求克服加速度、冲击、振动的影响,保证在此环境下主镜是安全的(强度条件);在轨状态由于没有重力作用的影响,主要考虑定位和温度带来的镜面变形。
3.2 改进方案
主镜室新方案对试验样机进行了最大可能的简化。
地面调试状态卸荷装置仍然采用现有的18点支撑装置,因此镜面面形误差能够满足整个光学系统的要求。轴向定位支撑是在主镜轴向中间、径向边缘部位磨出等分的三个槽,支撑结构装卡在槽内,有效地消除了机械结构对光路的遮挡问题。
径向定位支撑通过中心套筒来完成,省掉了试验样机中铟瓦合金杆机构。在发射和在轨状态,轴向三点定位支撑、三点压紧保持同一种状态,省去了原来复杂的爆炸装置,有效减轻了重量,提高了可靠性。
图中粗黑线表示现有主镜,细线表示修改方案中的主镜,即在现有主镜中部外侧磨出三个大小合适的沟槽,用于主镜的定位和支撑,有效地减少了机械结构在光路中的挡光面积。
3.3 主镜室试验样机与新方案有限元模型的比较
图5和图6所示为主镜室试验样机和新方案有限元模型示意图,通过直观比较可以看出,新方案大大简化了主镜的支撑结构,对减轻整个仪器的重量和提高可靠性是非常有利的。
4 主镜室新方案计算结果
新方案在地面调试状态时仍然采用与试验样机相同的18点卸荷系统,因此地面调试状态的镜面满足光学系统的要求。
改进方案中主镜室高度由试验样机时的160mm减少到现在的120mm,建立新的有限元模型,进行有限元分析。
(1)模态计算结果
建模计算得到的前三阶模态为219.19Hz,271.55Hz,271.59Hz,可以看出整体的刚性比较好,模态振型如图7所示。
(2)“准静力载荷”对应的应力分析
施加“准静力载荷”,对结构进行应力分析,获得结构的最大应力,主要分析3种材料所受的最大应力,与材料的屈服极限进行对比,结果如表3所示。
结果表明:每种材料所受的最大应力远远小于材料本身的屈服极限,微晶玻璃材料受最大应力是材料屈服极限的2/3;铟瓦合金材料受最大应力是材料屈服极限的1/20;钛合金材料受最大应力是材料屈服极限的1/26。准静力载荷是在“CZ-4B”中加入安全系数后得到,说明结构的强度足够,主镜室结构在卫星发射时受到冲击不会产生永久变形。
5 结 论
通过有限元分析,新的主镜室方案计算结果在满足整个仪器系统要求的基础上,比试验样机有了较大的改进。可以看出主镜室优化方案是可行的,有效解决了机械结构在光路中的挡光问题,对整个主镜室结构起到了很好的简化作用。简单的结构一方面增加了仪器的可靠性,另一方面有效的减轻了整个仪器的重量,对空间仪器来说,这两个方面都是至关重要的。有限元计算结果不仅对以后的空间环境试验提供了理论参考,并且对新主镜室的设计和加工提供了可靠的理论依据。
参考文献:
[1] AI G X. Progress in Space Solar Telescope[J]. Advances in SpaceResearch, 1998, 21: 305—314.
[2]陈志平.空间太阳望远镜的结构分析与主桁架试验研究[D].中国科学院国家天文台, 2004.
[3]刘梅,胡企千.空间太阳望远镜1米主镜支撑结构的研究[J].天文研究与技术. 2004, 2: 99—106.
[4] Wilson R N. Reflecting Telescope optics[M]. Springer—VerlagBerlin Heidelberg, 1999. 242—274.
基金项目:国家863高新技术资助项目(863_2.5.1.25)
作者简介:张锐(1978_),男,山东人,中国科学院国家天文台博士研究生,从事空间结构设计、分析与测试研究。
E-mail:zhangkeen@sst.bao.ac.cn
