光機(jī)熱集成分析在空間激光發(fā)射機(jī)的應(yīng)用

崔世程 雷文平

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

光機(jī)熱集成分析在空間激光發(fā)射機(jī)的應(yīng)用

崔世程 雷文平

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

文章介紹了基于抽象模型的光機(jī)熱集成分析法的原理和技術(shù)路線，并以某空間激光發(fā)射機(jī)為例，分析了溫度對激光光束品質(zhì)所造成的影響。首先搭建起以Comet軟件為核心的仿真分析平臺，并創(chuàng)建了相應(yīng)的流程模板；其次，定義材料庫文件，建立起空間激光發(fā)射機(jī)的有限元模型，包括結(jié)構(gòu)有限元模型和熱有限元模型；再次，執(zhí)行在軌熱分析，并將分析所得的溫度場映射給結(jié)構(gòu)有限元模型，再進(jìn)行熱彈性分析，得到光學(xué)系統(tǒng)的變形場分布；最后進(jìn)行 Zernike多項(xiàng)式擬合，并將變形后的光學(xué)表面導(dǎo)入到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，分析溫度對激光發(fā)射機(jī)的波前差的影響。結(jié)果表明，基于抽象模型的光機(jī)熱集成分析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光機(jī)熱各學(xué)科間數(shù)據(jù)的自動(dòng)流傳，快捷地完成仿真任務(wù)，從而為系統(tǒng)提供高效率的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

集成分析 光機(jī)熱 抽象模型 熱變形 空間激光發(fā)射機(jī)

0 引言

空間激光發(fā)射機(jī)既受到內(nèi)部熱載荷的作用，又受到太陽熱輻射的影響，由此產(chǎn)生的光學(xué)表面溫度差會影響激光發(fā)射機(jī)的光學(xué)元件面形精度，從而導(dǎo)致激光光束品質(zhì)降低。同時(shí)空間激光發(fā)射機(jī)受到體積、質(zhì)量及散熱手段的限制，因此在設(shè)計(jì)階段有必要針對在軌使用環(huán)境進(jìn)行光機(jī)熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證。我國空間激光發(fā)射機(jī)的發(fā)展還處于起步階段，這類設(shè)計(jì)驗(yàn)證的研究相對較少[1]。本文采用基于抽象模型的光機(jī)熱集成（IOST）分析技術(shù)[2]，快速完成對空間激光發(fā)射機(jī)的熱光學(xué)分析[3-4]。

1 光機(jī)熱集成分析原理

光機(jī)熱集成分析是解決多學(xué)科問題的常用方法[5-10]，在空間太陽望遠(yuǎn)鏡、紅外鏡頭、航空相機(jī)等上已有廣泛應(yīng)用[11-14]。本文介紹的集成分析法采用抽象模型技術(shù)，將仿真分析的流程、結(jié)構(gòu)與熱分析的材料屬性、網(wǎng)格劃分的規(guī)則、分析邊界條件和載荷等內(nèi)容的定義全部嵌入多學(xué)科統(tǒng)一的技術(shù)路線之中，如圖1所示。抽象模型包含諸如幾何、材料、載荷、邊界條件等各類屬性，對于特定設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以包括：裝配體與零部件、材料庫文件、內(nèi)熱源與外熱流屬性、三級網(wǎng)格控制設(shè)置、部件間的連接關(guān)系等等。

圖1 光機(jī)熱集成分析技術(shù)路線Fig.1 The technical way of IOST analysis

依據(jù)上述技術(shù)路線，選用具有多學(xué)科軟件接口的 Comet軟件作為平臺核心，并與三維建模軟件Pro/engineer、結(jié)構(gòu)分析軟件MSC Nastran、熱分析軟件Thermal Desktop、波面擬合軟件Sigfit、光學(xué)分析軟件CodeV等搭建成光機(jī)熱集成分析平臺，如圖2所示。

圖2 光機(jī)熱集成分析平臺Fig.2 IOST analysis platform

該平臺主要有三方面的優(yōu)勢：一是集成熱分析軟件Thermal Desktop來簡化熱計(jì)算并將溫度場映射到結(jié)構(gòu)有限元模型，同時(shí)集成了較為完善的商業(yè)軟件 Sigfit來完成結(jié)構(gòu)位移到光學(xué)表面變形的準(zhǔn)確映射；二是分析流程按照設(shè)計(jì)模型的轉(zhuǎn)換順序和關(guān)系，打通了各學(xué)科軟件之間的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換，避免大量反復(fù)的手工轉(zhuǎn)換過程；三是流程基于抽象模型來定義，其中各學(xué)科分析任務(wù)脫離幾何模型進(jìn)行設(shè)置，因此制定的流程模板可用于不同幾何模型進(jìn)行相同或相似的工況求解。

本文仿真分析的流程定義、參數(shù)設(shè)置、軟件調(diào)用及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等所有過程均基于此平臺實(shí)現(xiàn)。

2 光機(jī)熱集成仿真應(yīng)用

本文對運(yùn)行于地球靜止軌道衛(wèi)星平臺的某激光測距儀激光發(fā)射機(jī)進(jìn)行集成分析。激光發(fā)射機(jī)主要由發(fā)射鏡頭、半導(dǎo)體激光器（LD）、激光晶體、腔體殼、電路盒、調(diào)Q組件等組成，其光學(xué)系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical system

激光發(fā)射機(jī)的在軌設(shè)計(jì)目標(biāo)包括兩部分：一是要對半導(dǎo)體激光器（LD）及其泵浦的激光晶體進(jìn)行溫度控制，使LD溫度變化保持在±0.5K以內(nèi)，使激光晶體良好散熱，避免由熱梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的損壞、斷裂；二是需保證太陽輻射引起的光學(xué)表面變形對激光光束品質(zhì)的影響在誤差范圍之內(nèi)，這是仿真分析的重點(diǎn)考察內(nèi)容。

2.1 建立仿真流程模板

仿真流程模板主要由各學(xué)科的分析任務(wù)組成，如圖4所示。各學(xué)科的分析任務(wù)各自從后臺調(diào)取求解器進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)輸入輸出的設(shè)置來從抽象模型中調(diào)取或存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 仿真流程模板Fig.4 The process template of simulation

本文的仿真流程主要包括：

1）根據(jù)Code V光學(xué)設(shè)計(jì)，利用Pro/engineer完成激光發(fā)射機(jī)三維設(shè)計(jì)建模，幾何模型通過標(biāo)簽定義將數(shù)據(jù)傳遞給抽象模型，網(wǎng)格劃分任務(wù)根據(jù)抽象模型內(nèi)包含的幾何模型和分網(wǎng)規(guī)則來進(jìn)行自動(dòng)分網(wǎng)；

2）熱響應(yīng)分析任務(wù)從抽象模型中提取網(wǎng)格信息以及邊界條件，后臺調(diào)用Thermal Desktop求解器進(jìn)行計(jì)算，并將溫度場輸出給抽象模型存儲；

3）溫度映射任務(wù)后臺調(diào)用Thermal Desktop映射模塊將溫度場信息加載到結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格上；

4）熱彈性分析任務(wù)從抽象模型中提取網(wǎng)格信息、邊界條件以及溫度場信息，后臺調(diào)用MSC Nastran求解器進(jìn)行計(jì)算，并將變形場輸出給抽象模型；

5）波面擬合任務(wù)根據(jù)原始光學(xué)設(shè)計(jì)文件以及光學(xué)元件節(jié)點(diǎn)位移，后臺調(diào)用 Sigfit軟件進(jìn)行 Zernike多項(xiàng)式擬合，輸出光學(xué)表面變形后的光學(xué)設(shè)計(jì)文件給抽象模型；

6）光學(xué)分析時(shí)對比原始光學(xué)設(shè)計(jì)文件與在軌熱條件下光學(xué)表面變形后的光學(xué)設(shè)計(jì)文件，查看光學(xué)性能下降情況，評價(jià)激光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)方案是否滿足指標(biāo)要求。

2.2 模型分析前處理

在進(jìn)行各項(xiàng)分析任務(wù)之前，需完成兩方面工作：

1）定義分析所需模型材料。按照軟件材料定義規(guī)則編寫材料庫文件，包括熱物理屬性、光學(xué)屬性等內(nèi)容。其中熱物理屬性主要定義楊氏模量、密度、泊松比、線脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，光學(xué)屬性主要定義表面反射率和太陽吸收比。

2）建立有限元模型，選擇合適的單元類型、大小和數(shù)目。本文采用三種不同級別的網(wǎng)格控制策略：一是全局網(wǎng)格控制對整個(gè)組件進(jìn)行參數(shù)化分網(wǎng)；二是元件網(wǎng)格控制對大型裝配體中某些部組件設(shè)置分網(wǎng)規(guī)則；三是局部網(wǎng)格控制則為幾何的某些拓?fù)涮卣髦付刂埔?guī)則。幾何模型各組件獨(dú)立分網(wǎng)，并進(jìn)行網(wǎng)格裝配，還原出整機(jī)的有限元模型。本文所分析的激光發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 The structure finite element model

因熱分析與結(jié)構(gòu)分析所描述物理現(xiàn)象和求解方法皆不同，并且熱分析涉及熱輻射和熱傳導(dǎo)兩種分析環(huán)境，如果熱有限元模型的網(wǎng)格密度過高，將會極大地延長計(jì)算時(shí)間，而結(jié)果提效并不顯著，因此熱模型在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上做了精簡，將大部分組件都轉(zhuǎn)化為殼單元，保留光學(xué)元件等為體單元，同時(shí)在發(fā)射鏡頭上增添了遮光罩，然后再進(jìn)行粗糙分網(wǎng)，如圖6所示，從而有利于熱分析計(jì)算的順利展開。

圖6 熱有限元模型Fig.6 The thermal finite element model

2.3 熱響應(yīng)分析

在仿真流程里定義分析環(huán)境：設(shè)置軌道參數(shù)，將激光發(fā)射機(jī)的初始溫度設(shè)為293K，腔體殼底面設(shè)為293K定溫邊界，內(nèi)熱源半導(dǎo)體激光器（LD）與激光晶體的功率按圖7曲線加載。

圖7 內(nèi)熱源的功率時(shí)間圖Fig.7 Power curve of inner heat source

計(jì)算激光發(fā)射機(jī)在軌運(yùn)行24h的溫度場，從圖8（a）可見整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在4.2×104s時(shí)溫度達(dá)到最高，此時(shí)發(fā)射鏡頭中離遮光罩最近的透鏡 M 溫度達(dá)到 302K，而其它鏡面溫度均在 294K以下，情況良好；圖8（b）顯示激光晶體在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)溫度變化未超過0.6K，可見此內(nèi)熱源發(fā)熱對激光晶體的影響很小。

圖8 溫度曲線圖Fig.8 Temperature curve of some elements

2.4 熱彈性分析

執(zhí)行熱彈性分析時(shí)，需將熱響應(yīng)分析求解來的溫度場作為結(jié)構(gòu)有限元模型的熱載荷。由于熱有限元模型和結(jié)構(gòu)有限元模型并不共享同一網(wǎng)格，因此需研究溫度場映射的方法[15-16]。

溫度場映射可以通過把離結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最近的熱節(jié)點(diǎn)上的溫度傳遞到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上來實(shí)現(xiàn)，但此法僅適用于連續(xù)介質(zhì)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)；或是進(jìn)行有限元熱傳導(dǎo)分析，將溫度場作為分析的邊界條件，但此法在邊界附近則有可能會產(chǎn)生溫度誤差。

本文充分考慮相鄰節(jié)點(diǎn)間的間隙、邊界以及單元屬性等因素，利用有限元的形函數(shù)來將溫度從熱有限元模型的節(jié)點(diǎn)插值到結(jié)構(gòu)有限元模型的節(jié)點(diǎn)上。從而得到激光發(fā)射機(jī)在空間軌道繞地球旋轉(zhuǎn)過程中的溫度場分布情況，這是一個(gè)瞬態(tài)過程，因此需要提取出某一時(shí)刻（如 4.2×104s）的溫度場，將其作為結(jié)構(gòu)分析的載荷，利用商業(yè)軟件MSC Nastran計(jì)算出激光發(fā)射機(jī)的變形場。以光學(xué)系統(tǒng)為例，最大變形為發(fā)射鏡頭中離遮光罩最近的透鏡M的四周邊緣，為5.38×10–6m，而透鏡M的中央處變形則略微變小，為4.71×10–6m。

2.5 波面擬合

由于 Zernike多項(xiàng)式具有在單位圓上滿足正交性條件且與光學(xué)像差有對應(yīng)關(guān)系等特點(diǎn)[17]，因此通常將Zernike多項(xiàng)式作為基底函數(shù)系來對光學(xué)表面變形進(jìn)行擬合[18-20]。本文利用商業(yè)軟件Sigfit對激光發(fā)射鏡頭內(nèi)各光學(xué)元件節(jié)點(diǎn)及變形數(shù)據(jù)進(jìn)行Zernike多項(xiàng)式擬合，并將擬合結(jié)果寫入到.INT文件。作為示例，表1列出了其中一面透鏡的前9項(xiàng)Fringe Zernike系數(shù)，可以看出此透鏡的變形主要體現(xiàn)在X軸傾斜上。

表1 Z ernike系數(shù)及物理意義Tab.1 Zernike coefficients and their physical meaning

2.6 光學(xué)評價(jià)

對激光發(fā)射機(jī)而言，主要考察光學(xué)表面變形對出射光的均勻性的影響。因此光學(xué)性能評價(jià)主要體現(xiàn)在波前差上，通常采用均方根（RMS）誤差來定量化。

利用光學(xué)軟件CodeV直接讀取.INT文件數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為變化的面形，并粘貼到原始光學(xué)模型上，使之與變形后的面形相符，從而可得到系統(tǒng)波像差和角放大率等參數(shù)，見表 2。可以看出在軌熱環(huán)境下，系統(tǒng)波像差下降約0.009 5λ（其中λ為激光波長，為1 064nm），性能變化較小，溫度適應(yīng)性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 光學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Optical parameters

3 結(jié)束語

本文介紹了基于抽象模型的光機(jī)熱集成分析法，并以此對激光發(fā)射機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)分析。應(yīng)用分析表明該空間激光發(fā)射機(jī)在軌熱環(huán)境條件下的光學(xué)性能滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性；并且從中形成了一套具有高效性、可重復(fù)性的仿真流程通用模板，可應(yīng)用在類似的仿真任務(wù)中，這是傳統(tǒng)分析方法所不具備的。

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Integrated Optical-structural-thermal Analysis on Space Laser Transmitter

CUI Shicheng LEI Wenping

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

This paper discusses principles and technical way of the integrated optical-structural-thermal analysis method based on an abstract model, and describes the influence of temperature on the laser beam quality by conducting an integrated analysis of a space laser transmitter. First, an analysis platform with Comet as the core is established, and the corresponding process template is created. Secondly, the material file is written, and the finite element model of laser transmitter is founded. Thirdly, the on-orbit temperature distribution is simulated, and the temperature field is mapped to structure finite element model. Then the elastic analysis is made to get thermal deformation. In the end, the deformed optical surface fitted with a Zernike polynomial is put into an optical software to analyze the effect of temperature on wave-front aberration. The results show that the method can realize the interdisciplinary data auto transmission and complete the analysis rapidly, so as to directly evaluate optical performance.

integrated analysis; optical-structural-thermal; abstract model; thermal deformation; space laser transmitter

TN248

: A

: 1009-8518(2016)02-0100-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.02.013

崔世程，男，1991年生，2013年獲西北工業(yè)大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在中國空間技術(shù)研究院光學(xué)工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位。研究方向是光學(xué)精密制造技術(shù)。Email：759389256@qq.com。

（編輯：王麗霞）

2016-01-29