星載紫外成像光譜儀光機(jī)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新者：薛 闖

星載紫外成像光譜儀光機(jī)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新者：薛 闖

本文針對(duì)某星載紫外成像光譜儀研制任務(wù)，基于適用于小型空間光學(xué)成像儀器的薄壁框架式主支撐結(jié)構(gòu)形式，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了光譜儀主光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)各部組件完成主光機(jī)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)相應(yīng)功能。通過(guò)對(duì)各部組件及集成后的整機(jī)進(jìn)行有限元建模，以及固有模態(tài)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、光機(jī)熱集成分析，優(yōu)化了光譜儀主光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)最終優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行了紫外成像光譜儀工程樣機(jī)的研制，主光機(jī)結(jié)構(gòu)通過(guò)了環(huán)境模擬試驗(yàn)考核，光學(xué)元件面形精度以及各部組件的空間位置穩(wěn)定性等測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，試驗(yàn)前后整機(jī)光學(xué)性能無(wú)明顯變化，說(shuō)明紫外成像光譜儀的主光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

某星載紫外成像光譜儀的主要任務(wù)是通過(guò)在軌光譜成像試驗(yàn)，取得地球臨邊大氣的光譜數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的反演處理，可以進(jìn)行相關(guān)大氣物理的科學(xué)研究，為地球大氣環(huán)境探測(cè)和空間物理研究提供新的信息源和發(fā)展新的設(shè)備，同時(shí)可獲得紫外背景輻射場(chǎng)，為目標(biāo)識(shí)別與跟蹤定位等應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

紫外成像光譜儀采用單拋物鏡望遠(yuǎn)系統(tǒng)完成地球臨邊大氣光學(xué)信息采集，然后通過(guò)棱鏡光譜儀進(jìn)行光譜分光，最后由面陣CCD探測(cè)器完成光譜成像，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。光譜儀主光機(jī)結(jié)構(gòu)的主要功能是根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，精確支撐各光學(xué)元件及CCD成像器件，同時(shí)還要完成熱控多層、信號(hào)處理模塊、光闌等其它功能組件的結(jié)構(gòu)支撐。在進(jìn)行光譜儀主光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了以下設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：光學(xué)元件的面形精度、光學(xué)元件之間的相互位置精度、主光機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度、重量預(yù)算等。

本文根據(jù)紫外成像光譜儀的總體技術(shù)指標(biāo)要求及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了主光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。有限元分析及工程研制結(jié)果表明：光譜儀的主光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，能夠滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求。

紫外成像光譜儀主光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)紫外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行主光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。光譜儀分成望遠(yuǎn)系統(tǒng)和光譜儀系統(tǒng)兩個(gè)模塊，分別進(jìn)行光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造及裝調(diào)，然后這兩個(gè)模塊以狹縫為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)接及系統(tǒng)級(jí)集成，光譜儀主光機(jī)系統(tǒng)CAD模型裝配如圖2所示。

光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紫外成像光譜儀共包括3片曲面反射鏡、1片平面反射鏡以及1塊色散棱鏡等5個(gè)光學(xué)元件，根據(jù)各光學(xué)元件的尺寸、形狀以及工作方式，3片曲面反射鏡采用背部支撐方式，平面反射鏡及色散棱鏡采用周邊支撐方式。反射鏡材料均選擇微晶，棱鏡材料選擇熔石英，結(jié)構(gòu)支撐件材料均選擇殷剛（4J32），殷剛材料的熱膨脹系數(shù)可調(diào)，能夠與玻璃材料的熱膨脹系數(shù)實(shí)現(xiàn)匹配。采用背部支撐方式的反射鏡，其結(jié)構(gòu)支撐件與反射鏡背部的中心軸采用無(wú)應(yīng)力光學(xué)環(huán)氧膠粘接方式進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)支撐件上設(shè)計(jì)有柔性環(huán)節(jié)，可以避免光譜儀主體結(jié)構(gòu)的熱變形對(duì)反射鏡面形精度產(chǎn)生影響，以曲面反射鏡中的準(zhǔn)直鏡為例，其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式如圖3所示。

對(duì)于采用周邊支撐方式的平面反射鏡及色散棱鏡，其結(jié)構(gòu)支撐件包括主定位結(jié)構(gòu)件及若干輔助定位結(jié)構(gòu)件。主定位結(jié)構(gòu)件上設(shè)計(jì)精加工機(jī)械表面，這些表面與鏡體緊密配合，并通過(guò)輔助定位結(jié)構(gòu)件完全限制平面反射鏡或色散棱鏡的6個(gè)空間運(yùn)動(dòng)自由度。以色散棱鏡為例，其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式如圖4所示。

主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紫外成像光譜儀整體尺寸不大，因此望遠(yuǎn)系統(tǒng)和棱鏡光譜儀的主框架都采用了在小型空間光學(xué)儀器中得到廣泛應(yīng)用的薄壁整體式結(jié)構(gòu)，坯料采用整體鍛造成型，通過(guò)粗加工、精加工以及研磨等工序達(dá)最終形位公差要求。光譜儀主支撐框架設(shè)計(jì)形式如圖5所示，各面基礎(chǔ)壁厚及筋厚為3mm，根據(jù)有限元分析結(jié)果對(duì)筋的排布位置及壁厚進(jìn)行了優(yōu)化。

圖2 紫外成像光譜儀主光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 準(zhǔn)直鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有限元分析

為驗(yàn)證紫外成像光譜儀主光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用有限元建模軟件Patran和求解器Nastran對(duì)光譜儀整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有模態(tài)、重力釋放與環(huán)境溫度變化耦合作用下的分析計(jì)算，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在整機(jī)有限元模型中包含了電子學(xué)組件，最終計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

圖4 色散棱鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 光譜儀主支撐框架設(shè)計(jì)

圖6 光譜儀整機(jī)有限元模型

圖7 整機(jī)第一階振形圖

圖8 棱鏡組件工程樣件

圖9 光譜儀系統(tǒng)級(jí)波前像差檢測(cè)

圖10 紫外成像光譜儀振動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

表1 整機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率

表2 整機(jī)沿Y軸1g重力釋放及5°溫升耦合工況下組部件形位變化值

從模態(tài)分析結(jié)果可以看出，光譜儀整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求，動(dòng)態(tài)剛度足夠高，表明整機(jī)結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生振動(dòng)耦合；重力釋放和環(huán)境溫度變化工況分析結(jié)果表明，光譜儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足各光學(xué)元件的形位精度要求，說(shuō)明光譜儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，選取材料的物理特性匹配。

整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型、第一階模態(tài)振型如圖6、圖7所示。

工程研制

紫外成像光譜儀完成最終優(yōu)化設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了工程樣機(jī)研制。采用拼盤(pán)加工工藝加工了3片曲面反射鏡，平面反射鏡及棱鏡采用了常規(guī)加工工藝。所有反射鏡完成組件級(jí)裝配后，面形精度均優(yōu)于15.2nm；棱鏡組件在干涉儀監(jiān)視面形變化狀態(tài)下進(jìn)行了組件級(jí)裝配，面形精度也優(yōu)于15.2nm，棱鏡組件工程樣件如圖8所示。

所有光學(xué)元件完成組件級(jí)裝配后，分別進(jìn)行了望遠(yuǎn)系統(tǒng)及棱鏡光譜儀的子系統(tǒng)級(jí)光機(jī)裝調(diào)，兩個(gè)子系統(tǒng)裝調(diào)完畢后以狹縫為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)接、集成，形成紫外成像光譜儀光機(jī)主體結(jié)構(gòu)。圖9為棱鏡光譜儀光機(jī)裝調(diào)后，波前像差測(cè)試結(jié)果，形狀與光學(xué)設(shè)計(jì)吻合。

紫外成像光譜儀完成主光機(jī)結(jié)構(gòu)集成后，進(jìn)行了振動(dòng)及熱環(huán)境模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)前后主光機(jī)系統(tǒng)成像質(zhì)量、光譜分辨率等性能無(wú)明顯變化，圖10為力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)圖片。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)紫外成像光譜儀研制任務(wù)，采用薄壁框架式主支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了主光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析方法，對(duì)光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)及主支撐框架進(jìn)行了優(yōu)化，工程樣機(jī)測(cè)試及試驗(yàn)結(jié)果表明：光譜儀的主光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，經(jīng)環(huán)境模擬試驗(yàn)后，光譜儀的空間分辨率、成像質(zhì)量以及光譜分辨率等指標(biāo)仍滿足光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.012