一種空間相機(jī)次鏡熱控罩設(shè)計(jì)與分析＊

王麗娟

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

引 言

空間相機(jī)前端面暴露在空間環(huán)境中，如環(huán)境溫度變化較大或存在較大的溫度梯度，會使相機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微量變形，導(dǎo)致反射鏡面形改變，從而引起系統(tǒng)的成像質(zhì)量下降，而次鏡正處于相機(jī)的前框架上，空間環(huán)境條件比較嚴(yán)酷，因此次鏡的熱控是整個相機(jī)熱控設(shè)計(jì)的一個重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對次鏡組件的主動控溫，且考慮到次鏡框周邊無粘貼加熱片空間，必須要為次鏡組件設(shè)計(jì)一個粘貼加熱片的載體即次鏡熱控罩作為次鏡組件和電加熱片之間熱傳遞的橋梁。文中針對次鏡熱控罩進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，首先在眾多空間機(jī)械材料中優(yōu)選次鏡熱控罩的材料，再根據(jù)次鏡組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及熱控要求優(yōu)化設(shè)計(jì)熱控罩的結(jié)構(gòu)方案，兼顧剛度、熱輻射要求及易拆裝原則，優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種帶斜筋的熱控罩方案，并通過有限元法驗(yàn)證斜筋設(shè)計(jì)的必要性，且針對此種方案的動力學(xué)模態(tài)進(jìn)行仿真分析。

1 次鏡組件結(jié)構(gòu)

次鏡組件由次鏡和次鏡框等主要部件組成，其中次鏡材料為熔石英，次鏡框材料為低膨脹系數(shù)合金4J32，其余零件如頂塊，壓片等材料均為TC4。裝配完成的次鏡組件的實(shí)體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

次鏡組件具體參數(shù)：

（1）次鏡組件質(zhì)量：0.8kg；

（2）次鏡組件外圍尺寸：145mm×104mm×20mm。

由圖1可以看出，在次鏡框的周邊不僅有減重槽和注膠孔，而且還存在著三個支撐腿結(jié)構(gòu)，因此在熱控罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，這些都是需要考慮的影響因素。

圖1 次鏡結(jié)構(gòu)實(shí)體圖Fig.1 Solid drawing of the second mirror

2 熱控罩設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

次鏡熱控罩作為加熱片的載體，應(yīng)具有傳遞和輻射熱量的功能，同時(shí)還要防止次鏡熱控罩在經(jīng)受熱及外力工況下產(chǎn)生變形對次鏡變形產(chǎn)生影響，因此在材料的選擇上，首先需要考慮導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等參數(shù)，然后要考慮材料的比剛度等參數(shù)，最后考慮材料的密度和加工性能。表1為航天常用材料的性能參數(shù)［1］。

表1 空間機(jī)械材料的性能參數(shù)Tab.1 Material attributes in space machine

由表1可以看出，鋁和硅鋁合金的導(dǎo)熱率和比熱較其它機(jī)械材料具有明顯優(yōu)勢［2］；且兩種材料比剛度相差不多；但鋁比硅鋁合金加工性能強(qiáng)一些；經(jīng)過綜合對比，最終選擇了硬鋁合金作為熱控罩的材料。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

次鏡組件結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要考慮以下三點(diǎn)要求：

（1）熱控罩應(yīng)有足夠的結(jié)構(gòu)剛度，使之在受熱、受外力作用下的變形不影響次鏡正常工作的面形精度［3］；

（2）熱控罩與次鏡組件之間的距離要滿足在熱控罩上的加熱片對次鏡的熱輻射要求；

（3）熱控罩應(yīng)易拆裝，其外圍能提供足夠的空間來進(jìn)行熱控實(shí)施。

依據(jù)上述三點(diǎn)要求，熱控罩采用兩體式結(jié)構(gòu)，由左罩和右罩兩部分組成，兩者成對稱分布，兩部分之間留有擴(kuò)張縫，縫寬1mm。左罩和右罩均為整體式結(jié)構(gòu)，即由一塊材料經(jīng)機(jī)械加工而成，沒有使用到焊接、鉚接、螺紋連接等連接方式，產(chǎn)品的整體性較好。在熱控罩的內(nèi)部交叉分布著斜筋，其截面面積為S＝3mm×3mm。斜筋的作用是保證熱控罩與次鏡組件間的各空間距離為Δ＝1mm（包括上邊和周邊），如果距離小于1mm，在受到加工和裝配誤差等外力作用時(shí)，熱控罩很容易對次鏡組件產(chǎn)生干涉，斜筋的設(shè)計(jì)可以加強(qiáng)熱控罩的結(jié)構(gòu)剛度，減小變形［4］；兩個平行平面中一個表面發(fā)出而落到另一表面上的輻射能與兩面距離的平方成反比，所以如果熱控罩和次鏡組件之間距離從1mm變到2mm，輻射能就變?yōu)樵瓉淼?／4，所以空氣層過厚會影響熱控措施的有效性［5］。

熱控罩外表面為光滑平面，面板厚度為1mm，可以在平面上實(shí)施熱控；每個熱控罩采用外延折邊形式，經(jīng)過上述設(shè)計(jì)，次鏡熱控罩的結(jié)構(gòu)如圖2所示，

圖2 次鏡熱控罩外部及內(nèi)部圖Fig.2 The outer and inner sketch of the second mirror mantle

由圖2可以看出次鏡熱控罩的結(jié)構(gòu)形式，其中的缺口部位是為了讓開次鏡框的三條支撐腿而設(shè)計(jì)的。

3 有限元分析

3.1 有限元分析模型構(gòu)造原則及公式

利用patran／nastran軟件進(jìn)行有限元分析，模型構(gòu)造依據(jù)以下原則：有限元模型直接由屏幕樣機(jī)生成，保證幾何數(shù)據(jù)與真實(shí)結(jié)構(gòu)一致，采用手動劃分六面體單元建模，以提高分析精度和分析效率。

靜力學(xué)線形分析基本矩陣方程：

式（1）中，｛F｝為力向量，［k］為剛度矩陣，｛u｝為由｛F｝引起的未知位移向量。

模態(tài)分析基本有限元方程：

式（2）中，［M］和［k］分別為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，｛u｝和｛u··｝分別為節(jié)點(diǎn)位移與加速度。

3.2 靜力學(xué)分析

在對熱控罩底部連接點(diǎn)進(jìn)行約束時(shí)，對熱控罩的靜力學(xué)變形及熱力耦合變形進(jìn)行分析，驗(yàn)證了斜筋設(shè)計(jì)的必要性，對比結(jié)果如表2、表3所示。

表2 次鏡熱控罩自重變形引起的位置誤差Tab.2 The second mirror′s mantle position error caused by the gravity （單位：μm）

表3 次鏡熱控罩5℃均勻溫升加上自重變形引起的位置誤差Tab.3 The second mirror′s mantle position error caused by the gravity and 5℃temperature changed （單位：μm）

以上計(jì)算結(jié)果可以看出，無論在自重變形和熱力耦合條件下，有斜筋熱控罩的變形均小于無斜筋的，即斜筋的設(shè)計(jì)是極其必要的，且有斜筋的熱控罩的變形均在允許公差范圍內(nèi)。

3.3 動力學(xué)模態(tài)分析

對有斜筋的熱控罩進(jìn)行動力學(xué)模態(tài)分析，計(jì)算約束模態(tài)（約束方式與靜力學(xué)相同），結(jié)果如表4所示。次鏡熱控罩前三階約束模態(tài)對應(yīng)數(shù)值、振形描述及意義如表4所示，前三階約束模態(tài)云圖如圖3所示，其中前三階模態(tài)分別體現(xiàn)熱控罩繞Z軸、Y軸及X軸方向的抗扭剛度。

表4 次鏡熱控罩各階約束模態(tài)Tab.4 The restricting mode of the second mirror mantle

圖3 次鏡熱控罩前三階約束模態(tài)Fig.3 The first three mode of the second mirror mantle

由表4數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過優(yōu)化的次鏡熱控罩具有足夠的動態(tài)剛度。

4 結(jié) 論

現(xiàn)依據(jù)次鏡組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及熱控方案對次鏡熱控罩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中，對次鏡熱控罩進(jìn)行了有限元分析，分析了兩種工況，即在自重下變形和在5℃均勻溫升加上自重變形這兩種情況，計(jì)算結(jié)果表明，熱控罩在這兩種工況下的變形在允許公差范圍內(nèi)，說明次鏡熱控罩在溫升和溫降的情況下，不會對次鏡組件產(chǎn)生影響；同時(shí)熱控罩的諧振頻率遠(yuǎn)高于衛(wèi)星固有頻率和外界干擾頻率，因此次鏡熱控罩有很強(qiáng)的抵抗低頻振動的能力，具有良好的動態(tài)特性。且次鏡熱控罩具有質(zhì)量輕，可加工性好等特點(diǎn)。經(jīng)過以上分析，次鏡熱控罩滿足設(shè)計(jì)和使用要求，可以在次鏡組件熱控中使用［6－9］。

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