摘 要:相机在从地面到太空的过程中,需要经历重力、温度、气压、辐射等多种环境因素的变化,而这些因素都可能导致空间相机分辨率下降、像质变坏、功能失效甚至系统破坏。所描述的系统工作于18±15℃的温度环境,要求光学反射镜在30℃温度变化范围内仍能正常成像。经优化设计,应用计算机仿真手段进行了静、动态及热特性的分析,提出了一种采用中心粘接结合Bipod柔性支撑形式,解决了在大跨度环境温度范围下的反射镜结构支撑问题。
0 引 言
本文涉及的反射镜为某空间超光谱成像仪的主镜,有效通光孔径为178mm×148mm,镜面为二次非球面,曲率半径R=1455mm,光学设计要求的面形精度优于(λ/10) PV和(λ/50) RMS(λ= 0.6328μm),组件重量小于2.5 kg,在轨工作温度水平变化范围为18±15℃,并且需要满足地面力学环境试验的要求。
为了获得良好的光学加工工艺性和较高的面型精度,光学材料选择了德国SCHOTT公司Zerodur光学玻璃,它的优势是具有优秀的内部品质和化学稳定性,近似于零的膨胀系数。但同时也存在着材料刚度特性差(与SiC相比)和结构材料的膨胀系数与其匹配困难等问题。尤其是该系统的温度水平变化较大,小型载荷的力学实验环境条件偏高,这些都对反射镜结构、支撑结构的设计提出了较高的要求。
1 反射镜的组件方案
通常小型反射镜的安装形式包括半运动学的安装、胶接安装、挠性安装3种形式,每种形式都具有各自的特点。其中,半运动学的安装形式具备理想的6自由度约束形式,如图1所示,可以避免不期望的外部施加力所产生的反射镜变形。
为了防止反射镜脱离定位面,需要外部载荷对反射镜施加一预载作用力Pmin:
式中:W为反射镜的重量;fs为安全系数;∑aG为由外部施加的静态和动态加速度的矢量和,如固定的加速度、随机振动、正弦振动和冲击等。如果系统的力学环境较恶劣,将导致反射镜和结间产生较大的运动趋势和集中受力点。
反射镜的胶接安装就是将玻璃与金属粘接在一起,这种设计技术简单紧凑,能够提供足够的机械强度,经受得起大部分的航天应用环境中的剧烈冲击、振动和温度变化。但这种设计对粘接结构形式、胶粘剂、胶粘工艺及处理有较高的要求,如果处理不好,产生的粘接应力将导致镜面精度的下降。挠性安装是基于半运动学安装基础上的一种装配方式,即根据定位的要求在特定的方向上实现刚性约束,同时在其他方向上实现自由度的释放。挠性结构在释放安装应力和温度应力时,既可以实现反射镜相对结构件间的相对运动,同时又可以避免非线性接触摩擦的产生。
本反射镜的组件方案(图2)是:采用可铣磨加工的轻量化镜体结构,有利于工艺控制和降低重量;采用中心定位环与Zerodur进行粘接,可提高结构件与光学件的连接强度和可靠性,但材料需要有精密配比的膨胀系数;中心定位环通过挠性结构与接口背板相连,缓解和释放外界安装应力和温度应力对反射镜的影响;接口背板采用比刚度较高、工艺性好的钛合金材料,并在结构上也可部分释放外部应力。
2 镜体的设计
反射镜的径厚比决定了反射镜的动静态刚度,它的选择与反射镜的材料特性、轻量化形式及支撑结构形式等因素有直接关系。Roberts等人研究了其径厚比(D/t)与自重变形的关系,并给出了如下的经验公式:
式中:δ为最大自重变形(单位为m);ρ为材料密度(单位为kg/m3);g为重力加速度;a为圆盘半径,等于D/2(单位为m);E为材料弹性模量(单位为Pa);t为圆盘厚度(单位为m); dr为径厚比。从式(2)可以看出,反射镜的自重变形与材料比刚度(E/ρ)的一次方成反比,与径厚比及口径的平方成正比。本文所讨论的反射镜镜面尺寸为178mm×148mm,并不完全符合以上经验公式的要求。以反射镜的对角线(231.5mm)为直径,以面形精度的PV≤λ/10(λ=632.8nm)为目标进行计算,可得反射镜厚度为30mm。
经计算,未做减重的镜坯质量已接近2kg,组件质量必将超标,因此反射镜必须采用轻量化结构。轻量化的优势是可以降低镜坯质量,提高镜坯比刚度;减小热惯性,便于提高热控效率;降低动载荷,减轻支撑结构的压力,提高动态特性。但在另一方面,随着轻量化率的增加,镜坯结构的绝对刚度会有一定程度的下降,镜面对支撑应力的敏感度也会提升。因此,轻量化的结构形式需要综合考虑镜坯的尺寸特性、由轻质结构提供的刚度情况、支撑结构的分布、轻量化加工的工艺性、镜面抛光的工艺性等多方面因素,并通过工程分析对镜坯厚度、镜面厚度、筋的宽度等一系列参数进行优化,得到一个具备最佳比刚度的轻量化镜坯。本反射镜镜体的轻量化采用了弯月形附加开放式加强筋的结构,加强筋围绕中心支撑作发散状分布,轻量化结构如图3所示,轻量化率为51%。
3 支撑结构的设计
支撑结构一方面要保证反射镜组件在不同重力方向下位置及面形精度的稳定性;另一方面,当外界环境变化时,要能有效地减小与其连接的部件因外界环境变化产生的变形对镜面精度的影响。经多次计算分析及结构优化,支撑结构形式如下:上部为中心定位环,与主镜背部的中心孔粘接;下部为三角形环,与钛合金接口背板连接;中部是三组Bipod形式的挠性环节,如图4所示,采用的是同一材料通过机械加工成型,没有连接过度环节,结构一体性强,可靠性高。中间挠性Bipod结构曾应用在许多高精密的反射镜支撑中,它是由6个支腿组成的3个双脚架部件,可固定于反射镜的背部或边缘。每个双脚架可等效于一个双臂铰链或十字形挠性铰链,具有旋转适应性。上部环状结构通过光学环氧树脂胶与反射镜刚性粘接,膨胀系数的差异将直接造成面型精度的下降。为了实现结构材料的膨胀系数应尽量与Zerodur保持接近,选用了超低膨胀合金S4J32B,其膨胀系数可达到±0.1×10-6K-1,经计算符合宽温变定温度的要求,但由于S4J32B材料导热性稍差,如此宽温变的情况下容易在短时间内产生温度梯度及不均匀性,所以选取比实际情况严酷得多的温度梯度与重力耦合的条件进行计算分析,结果也符合应用要求。
4 反射镜的分析计算
工程分析主要是针对空间相机从地面加工、装调、固定、吊运到发射主动段的冲击、振动、过载,以及在轨工作飞行下的空间环境的影响来进行模拟仿真分析的,以便确定薄弱环节,进行优化改进。工程分析采用PATRAN建模,NASTRAN求解。模型构造按如下原则进行:
(1)有限元模型严格按照屏幕样机生成,以保证几何数据与设计结构一致。
(2)在关键的力或热的传递路径上,网格划分要密些;非关键部位要本着能量等效原则,准确描述其等效单元体的质量、质心位置以及连接刚度,以体现简化后的构件能等效真实构件对整机的质量(蕴含惯量以及热容量)和刚度的贡献。
(3)为确保分析计算数据流准确传递,热弹性分析与结构力学分析采用同一有限元模型。工程分析工作主要是针对以下几个方面来进行的:
(1)静力学环境条件下光学响应分析(表1)。
(2)动力学频率特性、响应特性分析(表2)。
(3)由热学环境条件下光学响应分析(表3和表4)。
(4)温度梯度和重力环境条件下的光学响应分析(表5)。
从分析数据上看,反射镜组件具有高于409.97Hz的一阶谐振频率,高于相机系统基频3倍以上,具有很好的动态刚度。在18±15℃范围内以及在两个方向不同温度梯度(±2℃、±4℃)下,反射镜的光轴指向倾角和刚体位移均符合光学系统的公差要求,面形变化也在许用范围之内。
5 结 论
综上所述,通过采用中心粘接结合Bipod柔性支撑形式,在设计上能够满足系统对反射镜的精度要求。选用S4J32B超低膨胀合金作为支撑结构材料,可以有效地控制由于材料膨胀系数不匹配产生的误差。在18±15℃范围内,反射镜面形RMS值最大为11.1nm。该反射镜支撑系统不但适合宽温度变化范围,而且在温度梯度较大时也能满足使用要求,且结构简单,零件加工及装配工艺性良好,经试验测试可靠性高,精度稳定性好。
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收稿日期:2010-05-11;收到修改稿日期:2010-07-29 E-mail:hitwzs@126.com
作者简介:付亮亮(1980-),女,助理研究员,博士,主要从事空间光学仪器设计的研究。
