月基極紫外相機(jī)反射鏡組件設(shè)計(jì)與分析

李朝輝

（中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

探月工程有效載荷極紫外EUV（Extreme Ultraviolet）相機(jī)安放在月球著陸器上，通過二維精密跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)完成對(duì)地球的對(duì)準(zhǔn)指向，開展對(duì)地球整個(gè)等離子體層的成像觀測(cè)，為科學(xué)家對(duì)磁暴研究提供離子層精細(xì)圖像，對(duì)于地球空間環(huán)境研究具有重要意義。根據(jù)任務(wù)要求，EUV相機(jī)對(duì)地球磁體中He++粒子的諧振散射所形成的30.4nln的輻射進(jìn)行成像探測(cè)，因此光學(xué)系統(tǒng)以反射式為解決方案，該波段的透射光學(xué)玻璃很難制造。另外，球面MCP探測(cè)器與反射鏡一起構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)可減小畸變［1-4］。

球面反射鏡是極紫外相機(jī)中的關(guān)鍵元件，由于月球表面溫差非常大，因此對(duì)反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較苛刻的要求，既要在極限溫度條件下支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，不損壞光學(xué)元件，又要在要求的溫度范圍內(nèi)保持反射鏡面形穩(wěn)定。另一個(gè)難點(diǎn)是力學(xué)振動(dòng)量級(jí)強(qiáng)與高度輕量化的要求相互矛盾，需要很好折中和平衡，以滿足探月工程的技術(shù)要求。

1 光學(xué)系統(tǒng)

根據(jù)EUV相機(jī)的任務(wù)要求，反射鏡組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要約束條件如下所示。

表1 主要技術(shù)要求與設(shè)計(jì)約束Tab.1 Main technical items and design constrains

國外已發(fā)射的極紫外探測(cè)器主要有美國的IMAGE，其光學(xué)系統(tǒng)由鍍多層膜的球面反射鏡、濾光片和球面MCP位敏陽極探測(cè)器組成。濾光片安裝在入瞳位置處，對(duì)30.4nm透過，同時(shí)抑制121.6nm的輻射，光線通過濾光片到達(dá)反射鏡，聚焦到球面MCP表面。其整個(gè)圓視場(chǎng)可達(dá)30°，反射鏡直徑123mm，MCP探測(cè)器直徑Φ40mm。日本的SELENE衛(wèi)星搭載的極紫外望遠(yuǎn)鏡TEX也采用了相類似的光學(xué)系統(tǒng)。

綜合考慮任務(wù)指標(biāo)，EUV相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)采用與IMAGE相同的形式，在結(jié)構(gòu)尺寸重量和視場(chǎng)、焦距、探測(cè)能力間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，光路如圖1所示。

圖1.EUV相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.1 Optical system of EUV camera

光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果得到設(shè)計(jì)參數(shù)為：焦距 f=150mm；凹球面反射鏡的曲率半徑R=300mm，口徑191mm；入瞳在反射鏡面的球心處，入瞳外口徑Φ 118mm，中心遮攔口徑Φ66mm；MCP探測(cè)器凸球面曲率半徑為150mm，有效口徑為Φ40mm。其圓視場(chǎng)為15°，角分辨率≤0.1°。

該光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡支撐結(jié)構(gòu)和鏡筒的設(shè)計(jì)提出了較為嚴(yán)格的要求，MCP球面探測(cè)器球心與反射鏡球心軸向偏差≤0.05mm，像面傾斜≤20″，反射鏡面形精度（RMS）≤16nm，因此，要求結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剛度好，能保證光學(xué)裝調(diào)后的位置精度保持不變。

2 反射鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成像單元由反射鏡組件、鏡筒和MCP探測(cè)器組件組成，成像單元安裝在二維精密跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)上，在相機(jī)總體結(jié)構(gòu)中的位置如圖2所示。

圖2 EUV相機(jī)總體布局Fig.2 General layout for EUV camera

反射鏡組件由反射鏡、反射鏡支撐結(jié)構(gòu)和鏡筒三部分組成。

2.1 反射鏡輕量化形式［6］

考慮超光滑表面加工工藝的要求以及月球表面惡劣的環(huán)境工況，反射鏡材料采用低膨脹微晶玻璃Zerodur，反射面鍍Mo/Si多層膜。該材料比剛度相對(duì)較低，熱導(dǎo)率小，受外界環(huán)境因素影響的概率較大，因此在設(shè)計(jì)和研制過程中，需要著重注意熱學(xué)和力學(xué)的影響，并采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和工藝措施來避免。

首先，對(duì)反射鏡進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。從局部看，輕量化孔的形式通常有三角孔、四邊形孔（矩形孔）、六邊形孔（蜂窩形孔）和扇形輕量化結(jié)構(gòu)等?？紤]EUV相機(jī)的反射鏡直徑不很大，結(jié)合現(xiàn)有的加工工藝水平，通過分析計(jì)算，選擇背部開放式結(jié)構(gòu)中心輻射加強(qiáng)筋作為反射鏡的輕量化形式，整個(gè)背部形狀為拱形以提高反射鏡剛度。

反射鏡的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)Fig.3 Light-weight structure of the mirror

反射鏡中心凸臺(tái)作為定位支撐面，反射鏡的邊緣進(jìn)行倒角輕量化處理。徑厚比為1/7，最大外形厚度44mm，鏡面厚度9mm，加強(qiáng)筋厚度5mm。輕量化后的反射鏡重量1.12kg，輕量化率30%，裸鏡自重變形PV值43.6nm。并且加工工藝性較好，加工應(yīng)力均勻，剛度分布均勻。

2.2 反射鏡支撐結(jié)構(gòu)［7-9］

反射鏡外形尺寸為Φ191×28mm，結(jié)構(gòu)對(duì)稱且尺寸不是很大，采取中心支撐的方式。中心支撐可以是支撐心軸與反射鏡孔聯(lián)結(jié)的方式，如圖4（a）所示，也可以是支撐鏡座與反射鏡背部凸臺(tái)軸聯(lián)結(jié)，如圖4（b）所示。支撐方式（2）中反射鏡凸臺(tái)軸與鏡座外環(huán)膠接，靠鏡座內(nèi)軸定位，保證反射鏡與鏡座間的膠層厚度均勻，反射鏡抵抗鏡座變形所產(chǎn)生彎矩的能力強(qiáng)，故采用鏡座—反射鏡芯軸的固定方式。

為了減小溫度變化帶給反射鏡的應(yīng)力變形，選取與Zerodur玻璃相匹配的超低膨脹殷鋼制作反射鏡支撐結(jié)構(gòu)。反射鏡中心凸臺(tái)與反射鏡鏡座（殷鋼）用RTV膠粘接，膠粘工藝應(yīng)嚴(yán)格保證膠層厚度的均勻性，0.2mm的膠層厚度可滿足的粘接強(qiáng)度的要求。為防止大溫差范圍下的線脹系數(shù)不一致所產(chǎn)生應(yīng)力對(duì)面形的影響，沿圓周120°均布三處應(yīng)力釋放槽，使膠層產(chǎn)生的粘接應(yīng)力作用在殷鋼鏡座上，從而減小對(duì)反射鏡的影響。

反射鏡鏡座與碳纖維反射鏡鏡筒底端的殷鋼鑲嵌件聯(lián)結(jié)，為了減小安裝面面形誤差引起的裝配應(yīng)力，殷鋼鑲嵌環(huán)與反射鏡鏡座聯(lián)結(jié)的三處安裝面有一定的柔性，既要減小安裝應(yīng)力，又要滿足力學(xué)振動(dòng)的工況條件和光軸穩(wěn)定性的技術(shù)要求。

連接MCP探測(cè)器和反射鏡組件的聯(lián)結(jié)中筒，是保證在±50℃溫差條件下離焦量不大于0.05mm的重要部件，因此選取線膨脹系數(shù)（CTE）低的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）來制造聯(lián)結(jié)中筒。另外，CFRP的彈性模量高，比剛度大。有限元分析結(jié)果表明，整個(gè)成像鏡筒的特征頻率363Hz，在重力作用下鏡筒端面最大位移0.002mm，傾斜變形≤3″。

圖4 反射鏡組件Fig.4 Subassembly of the mirror

2.3 反射鏡面形精度分析

對(duì)反射鏡組件進(jìn)行了有限元分析，分析計(jì)算時(shí)其熱膨脹系數(shù)取0.15×10-6/℃，微晶玻璃熱膨脹系數(shù)取0.05×10-6/℃，即反射鏡鏡座材料的熱膨脹系數(shù)為反射鏡熱膨脹系數(shù)的3倍。

2.3.1 反射鏡組件的模態(tài)

在約束條件下反射鏡組件的模態(tài)如表2所示。

表2 反射鏡組件有限元分析Tab.2 Finite element analysis of the mirror assembly

圖5 模態(tài)振型示意圖Fig.5 Modal graph of the mirror

2.3.2 微重力分析

考察在地面裝調(diào)狀態(tài)下，反射鏡在重力載荷下的鏡面面形精度情況，分析結(jié)果如表3所示。其中：Gx-X方向1g重力載荷；Gy-Y方向1g重力載荷；Gz-Z方向1g重力載荷。X向?yàn)楣廨S方向。

在三個(gè)方向微重力載荷下反射鏡面形精度（RMS）≤7nm，滿足光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

2.3.3 熱載荷分析

根據(jù)探月著陸器的熱載荷工況，需考察±50℃均勻溫降載荷作用下反射鏡的面形變化，分析結(jié)果表明，50℃均勻溫降下反射鏡面形精度為（RMS）13.44nm，滿足光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量要求。

因此，反射鏡具有足夠的剛度，加工過程中無變形，反射鏡豎直和水平狀態(tài)下面形保持穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 力學(xué)試驗(yàn)

反射鏡組件（鏡座與反射鏡）做了組件級(jí)應(yīng)力篩選試驗(yàn)，包括50%驗(yàn)收級(jí)，100%驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)，以及高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)。反射鏡組件力學(xué)試驗(yàn)如圖6所示。

每次試驗(yàn)后利用干涉儀進(jìn)行面形檢測(cè)，使用干涉儀檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。檢測(cè)結(jié)果為裸鏡0.02λ（RMS），粘接后為0.026λ（RMS），隨機(jī)振動(dòng)及高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)后變?yōu)?.026λ（RMS）。

反射鏡面形0.026λ=16.45nm（RMS），與技術(shù)指標(biāo)要求16nm略有偏離，經(jīng)光學(xué)設(shè)計(jì)與MCP成像機(jī)理的深入分析，以及鑒定產(chǎn)品的熱真空成像試驗(yàn)驗(yàn)證，反射鏡面形不大于20nm（RMS）滿足要求。因此，在后續(xù)產(chǎn)品反射鏡組件研制過程中，要進(jìn)一步提高加工裝配精度，減小裝配應(yīng)力。

圖6 反射鏡組件振動(dòng)試驗(yàn)Fig.6 Vibration test of the mirror assembly

圖7 反射鏡面形檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Measurement result of the mirror assembly

3.2 成像分辨率測(cè)試

為了驗(yàn)證反射鏡及其支撐結(jié)構(gòu)的合理性和穩(wěn)定性，首先對(duì)整個(gè)成像單元進(jìn)行力學(xué)和高低溫循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)后利用極紫外光管和真空罐進(jìn)行空間分辨率測(cè)試。使用紫外準(zhǔn)直光束均勻照射分辨率板，分辨率板置于準(zhǔn)直透鏡焦面上，分辨率板經(jīng)反射鏡聚焦到探測(cè)器上成像，微調(diào)分辨率板位置多次成像，分析多組目標(biāo)板的圖像，找出最清晰的一組圖像，結(jié)果表明空間分辨率優(yōu)于6lines/mm，即角分辨率0.07°。

4 結(jié)論

根據(jù)探月工程科學(xué)目標(biāo)要求，深入研究國內(nèi)外極紫外探測(cè)光學(xué)遙感器的原理與技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了滿足工程任務(wù)要求的可對(duì)地球整個(gè)等離子層進(jìn)行成像的光學(xué)系統(tǒng)。反射鏡是該系統(tǒng)關(guān)鍵部件，重點(diǎn)對(duì)反射鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)、有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，以滿足探月工程特殊的力學(xué)、溫度、高真空等環(huán)境條件要求，以及嚴(yán)格的重量要求。通過環(huán)境試驗(yàn)表明，反射鏡及支持結(jié)構(gòu)溫度適應(yīng)性好，在50℃的溫差條件下，反射鏡面形滿足要求，系統(tǒng)離焦量≤0.05mm，成像性能指標(biāo)滿足任務(wù)指標(biāo)要求。同時(shí)，該組件能承受強(qiáng)量級(jí)的沖擊、振動(dòng)，其抗力學(xué)特性滿足登月過程的特殊任務(wù)要求。

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