某接觸型空間反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

付亮亮,何　欣,王忠善

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 空間光學(xué)部,吉林 長(zhǎng)春　130033)

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某接觸型空間反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

付亮亮,何欣,王忠善

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 空間光學(xué)部,吉林 長(zhǎng)春130033)

為檢測(cè)空間小型凸非球面反射鏡，設(shè)計(jì)了一種適合其檢測(cè)的結(jié)構(gòu)。由于需要透射式檢測(cè),材料選擇有局限性,首先優(yōu)選反射鏡材料,然后優(yōu)選反射鏡支撐方案,并對(duì)反射鏡定位原理進(jìn)行詳細(xì)分析。在設(shè)計(jì)此反射鏡組件時(shí)特地添加了阻尼環(huán)節(jié)及柔性環(huán)節(jié),以減小裝配應(yīng)力、熱應(yīng)力及動(dòng)力學(xué)響應(yīng),并重點(diǎn)而透徹地分析了裝配方法,且對(duì)該反射鏡組件進(jìn)行了模擬工程分析。分析結(jié)果滿(mǎn)足指標(biāo)要求,該方案設(shè)計(jì)合理可行。

空間多光譜相機(jī); 次鏡; 周邊支撐; 工程分析

引　言

多光譜成像技術(shù)在航空航天領(lǐng)域里通常被用做遙感平臺(tái),對(duì)地面進(jìn)行探測(cè),其中多光譜相機(jī)有著巨大的潛力和應(yīng)用前景[1]。本文研究的是某空間多光譜相機(jī)的次鏡,空間多光譜相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)中的次鏡組件為一重要的光學(xué)元件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣與成像質(zhì)量息息相關(guān)。一個(gè)優(yōu)質(zhì)反射鏡支撐結(jié)構(gòu)不但能夠保證反射鏡的支撐剛度,而且能夠?qū)崿F(xiàn)與反射鏡鏡體的熱學(xué)匹配,從而使各種工況下反射鏡的面形精度都達(dá)到指標(biāo)要求。本文針對(duì)反射鏡鏡體及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了較為系統(tǒng)全面的分析,結(jié)合實(shí)際工程科研項(xiàng)目,利用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法(計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)),且應(yīng)用線(xiàn)性分析方法代替非線(xiàn)性分析方法,研究并優(yōu)化出一種穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、質(zhì)量輕、比剛度大的反射鏡柔性結(jié)構(gòu)支撐組件方案,選擇適合于空間且符合實(shí)際要求應(yīng)用的光學(xué)及結(jié)構(gòu)材料,目的在于保證整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期具有十分穩(wěn)定的成像質(zhì)量。

本文研究的次鏡有效通光孔徑為105 mm×90 mm的長(zhǎng)方形小口徑凸非球面反射鏡,曲率半徑為478.89 mm。要求面形精度小于1/50λ(λ=0.632 8 μm),反射鏡組件質(zhì)量小于2.2 kg,環(huán)境溫度變化為±15 ℃。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1反射鏡鏡體及支撐材料的選取

反射鏡鏡體材料的選擇主要考慮材料的光學(xué)可加工性能、材料的力學(xué)性能以及材料的穩(wěn)定性、安全性及物理性能等重要因素[2]。需要選用比剛度大、導(dǎo)熱率高而線(xiàn)膨脹系數(shù)小的材料。由于次鏡為凸非球面反射鏡,考慮到非球面加工及檢測(cè)時(shí)需采用背部透射式檢測(cè)方法,所以所選光學(xué)材料范圍較小,常用的可以采用透射式檢驗(yàn)方式檢測(cè)的反射鏡鏡體材料性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　可用于透射檢驗(yàn)的反射鏡材料屬性

對(duì)比表中兩種反射鏡材料,熔石英明顯具備優(yōu)秀的比剛度、導(dǎo)熱率及線(xiàn)膨脹系數(shù)指標(biāo),是空間相機(jī)反射鏡組件理想的鏡體材料。其材料的優(yōu)點(diǎn)是比剛度較高、線(xiàn)膨脹系數(shù)小、均勻性好、便于光學(xué)加工且面形拋光效率高[3],已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于空間多光譜相機(jī)的光學(xué)元件中。

解決反射鏡組件適應(yīng)溫度環(huán)境變化的關(guān)鍵是鏡體材料與支撐材料間的熱匹配和熱變形補(bǔ)償能力,在選擇與次鏡鏡體直接接觸的支撐結(jié)構(gòu)材料時(shí),特地選擇線(xiàn)膨脹系數(shù)與反射鏡的線(xiàn)膨脹系數(shù)一致的適用于空間環(huán)境條件的材料[4],則均勻的溫度變化就不會(huì)引起反射鏡面的畸變;與次鏡鏡體非直接接觸的支撐結(jié)構(gòu)材料則選用線(xiàn)膨脹系數(shù)較小,也適用于空間環(huán)境條件的高比剛度且穩(wěn)定性高的材料。常用的反射鏡支撐結(jié)構(gòu)材料見(jiàn)表2。

表2　常用的反射鏡支撐結(jié)構(gòu)材料屬性

對(duì)比表2數(shù)據(jù),銦鋼有與反射鏡材料最接近的線(xiàn)膨脹系數(shù),且比剛度較高,為了避免材料線(xiàn)膨脹系數(shù)不匹配對(duì)鏡面面形精度的影響,與熔石英鏡體直接接觸的結(jié)構(gòu)材料選用線(xiàn)膨脹系數(shù)經(jīng)過(guò)特殊匹配的合金材料,即線(xiàn)膨脹系數(shù)為0.38(10-6/K)的定制銦鋼材料,其他支撐結(jié)構(gòu)材料則選用線(xiàn)膨脹系數(shù)相對(duì)較小,比剛度相對(duì)較高的鈦合金材料。然而單單從材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)匹配方面來(lái)消除由環(huán)境溫度變化造成的鏡體面形精度的下降是不夠的,還要通過(guò)選用合適的支撐結(jié)構(gòu),來(lái)進(jìn)一步減小外部環(huán)境因素等變化對(duì)反射鏡鏡體面形精度的影響。

1.2支撐方式的選取

反射鏡周邊支撐方式較復(fù)雜,一般將反射鏡放置在周?chē)鄬?duì)封閉的鏡框之中,根據(jù)六自由度完全定位原理,在反射鏡框的內(nèi)腔形成了六個(gè)定位面,各定位面均要有很高的平面度。在封閉鏡座中裝入反射鏡,各定位面均與反射鏡體完全接觸,在各定位面對(duì)應(yīng)的另一面,反射鏡的移動(dòng)靠彈性的壓片限制,采用壓板式固定反射鏡的工作面一端,并修研壓板,以保證壓板與反射鏡結(jié)合面零間隙,如圖2所示,中小口徑的反射鏡也可以采用此種支撐方式。反射鏡組件與框架等的連接點(diǎn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離反射鏡工作面,以消除由反射鏡鏡框的裝配應(yīng)力引起的鏡面變形,通過(guò)整體式鏡框來(lái)支撐反射鏡鏡體,在反射鏡組件與相機(jī)主框架連接處設(shè)置適當(dāng)?shù)膽?yīng)力釋放的柔性環(huán)節(jié),避免外部環(huán)境溫度變化和系統(tǒng)裝配等產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)鏡面面形的影響。為保證反射鏡鏡體可靠固定,提高反射鏡組件的抗振性能,可以考慮在內(nèi)部加入適當(dāng)?shù)淖枘岘h(huán)節(jié)。次鏡采用熔石英材料且次鏡鏡面外凸,在非球面加工、檢測(cè)時(shí)需透射測(cè)量,因此次鏡鏡背磨成高精度平面,且不能做輕量化設(shè)計(jì)。由于空間的限制,次鏡的外形尺寸設(shè)計(jì)成105 mm×90 mm×20 mm。根據(jù)次鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用周邊支撐的方案。但當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)容易存在熱應(yīng)力,因此,對(duì)此方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖1　次鏡圖Fig.1　The second mirror

次鏡鏡框采用線(xiàn)膨脹系數(shù)與鏡體材料匹配的銦鋼材料,次鏡裝在銦鋼鏡框的內(nèi)腔,如圖1所示。根據(jù)完全定位原則,形成六個(gè)定位面在次鏡框的內(nèi)腔,Z向即鏡框底部有三個(gè)小定位面,Y向(即90 mm方向)側(cè)壁形成兩個(gè)定位面,X向(即105 mm方向)側(cè)壁形成一個(gè)定位面,各定位面修研至很高的平面度。把次鏡裝入鏡框中,各定位面要與次鏡的各側(cè)面完全接觸,在各定位面對(duì)應(yīng)的另一側(cè)面,用具有彈性變形能力的壓片限制次鏡的移動(dòng),并在次鏡與次鏡框的間隙中填充XM-31室溫硫化硅橡膠,以增加次鏡組件的阻尼效應(yīng),提高抗振性能。為減小因環(huán)境溫度變化主框架體的變形對(duì)次鏡面形的影響,在次鏡框上與主框架體連接的局部面積加工出小窄縫,形成適當(dāng)?shù)娜嵝原h(huán)節(jié)。

圖2　次鏡框圖

用這種支撐方法固定次鏡,既無(wú)過(guò)定位,也無(wú)欠約束,次鏡對(duì)外界環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí),此裝配方法能有效減小次鏡鏡面面形的變化。

2　工程分析

對(duì)于次鏡的工程分析,由于反射鏡變形很小,對(duì)組件中其它零件的相對(duì)位移也要求較小,所以不會(huì)引起幾何非線(xiàn)性的問(wèn)題。因此需要考慮的主要是接觸非線(xiàn)性引起的非線(xiàn)性問(wèn)題,但本文研究的次鏡接觸非線(xiàn)性環(huán)節(jié)較多,有頂絲環(huán)節(jié)、壓板環(huán)節(jié)、膠接環(huán)節(jié)等,用接觸非線(xiàn)性分析也較難模擬真實(shí)情況。由于本次鏡設(shè)計(jì)余量較大,可以采用一種比非線(xiàn)性分析方法較為嚴(yán)格的線(xiàn)性分析方法對(duì)其進(jìn)行分析。又由于次鏡相對(duì)于次鏡框不動(dòng),所以將次鏡底部與次鏡框粘接處節(jié)點(diǎn)直接對(duì)接后進(jìn)行分析,如分析結(jié)果滿(mǎn)足使用要求,則非線(xiàn)性分析方法的結(jié)果滿(mǎn)足指標(biāo)要求,這也是工程分析中的一種近似且簡(jiǎn)便的方法。

2.1靜力學(xué)面形精度分析

采用非線(xiàn)性最小二乘法,將根據(jù)變形鏡面各節(jié)點(diǎn)到新球面距離的平方和取最小這一原則進(jìn)行球面擬合。該過(guò)程可表達(dá)成最優(yōu)問(wèn)題，即

(1)

(2)

其中r(t)=[r1(t),r2(t),…,rm(t)]T,t=[t1,t2,t3,t4]T

(3)

式中：t1為新球面球心的x坐標(biāo)值；t2為新球面球心的y坐標(biāo)值；t3為新球面球心的z坐標(biāo)值；t4為新球面的半徑；m為節(jié)點(diǎn)數(shù)。

采用牛頓法求解擬合出新鏡面,鏡面面形誤差的RMS值和PV值可分別表示如下:

(4)

PV=max[ri(t)]-min[ri(t)]

(5)

對(duì)次鏡組件進(jìn)行靜力學(xué)分析,采用PATRAN-NASTRAN進(jìn)行建模分析,模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為34 646個(gè),靜力學(xué)變形及熱力耦合面形精度分析結(jié)果分別如表3、表4所示。分析結(jié)果表明,次鏡組件在靜力學(xué)變形及熱力耦合條件下鏡面面形分析結(jié)果滿(mǎn)足指標(biāo)要求[5-6]。

表3　次鏡組件重力變形分析結(jié)果

表4　次鏡組件重力和±15 ℃溫升變形分析結(jié)果

次鏡組件在靜力學(xué)變形下的云圖如圖3所示。

圖3　次鏡組件X向、Y向、Z向重力變形云圖

2.2動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析

同樣采用PATRAN-NASTRAN對(duì)次鏡組件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析,次鏡組件具有較高的固有頻率。結(jié)果如表5所示，前三階模態(tài)振形圖如圖4～6所示。

表5　次鏡組件約束模態(tài)分析

圖4　次鏡組件1階模態(tài)云圖

圖5　次鏡組件2階模態(tài)云圖

圖6　次鏡組件3階模態(tài)云圖

3　結(jié)　論

本文提出了一種透射式檢驗(yàn)的小型反射鏡的周邊支撐方案,普遍適用于空間小型反射鏡設(shè)計(jì)。該方案完全約束反射鏡的六個(gè)自由度,在重力及熱力耦合且溫差較大條件下具有良好的面形精度,且次鏡組件具有較高的固有頻率,方案合理可行。

[1]萬(wàn)志,李葆勇,劉則洵,等.測(cè)繪一號(hào)衛(wèi)星相機(jī)的光譜和輻射定標(biāo)[J].光學(xué) 精密工程,2015,23(7):1867-1873.

[2]王風(fēng)麗,周東偉,張金帥,等.真空紫外Al/MgF2反射鏡[J].光學(xué) 精密工程,2015,23(4):913-918.

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[4]馬立,謝煒,劉波,等.柔性鉸鏈微定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué) 精密工程,2014,22(2):338-345.

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(編輯:程愛(ài)婕)

A contact type space structure design and analysis of the reflector

FU Liangliang, HE Xin, WANG Zhongshan

(Department of Space Optical Changchun Institute of Optics Fine，Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)

For a small convex spherical mirror,due to the requirement of transmission-type testing,material selection is limited. The mirror material is firstly selected,then mirror support scheme is optimized.The detailed mirror positioning principle is analyzed,when specially adding damping and flexible components to reduce the assembly stress,thermal stress and dynamic response,and the key assembly method is thoroughly analyzed.This mirror component is simulated by using engineering analysis.The analysis results completely meet the requirements of indicators and the design is reasonable.

the space remote sensor; secondary mirror; peripheral support; finite analysis

2015-06-22

付亮亮(1980—),女,副研究員,主要從事空間光學(xué)與遙感方面的研究。E-mail:liangliang87711133@163.com

1005-5630( 2016) 03-0216-05

V 1

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.005