星載激光雷達望遠鏡主鏡組件設(shè)計與分析

李 路，邢昆明，趙 明,施 云

（1.皖西學院 機械與車輛工程學院,安徽 六安 237012；2.中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院 中國科學院大氣光學重點實驗室,安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著全球人口增長，人類對自然資源不斷索取，各種惡劣天氣（干旱、暴雨、閃電、火山爆發(fā)、極寒等）出現(xiàn)頻率增多，研究者們研究證明表明與云-氣溶膠有著密切的關(guān)系。因此，獲取準確的全球云-氣溶膠信息對氣候具有非常重要的意義。

較于地基、機載激光雷達，星載云-氣溶膠激光雷達具有運行軌道高，探測范圍廣，可精確獲得全球云-氣溶膠探測數(shù)據(jù)。望遠鏡主鏡作為星載激光雷達接收系統(tǒng)的主要部件，其組件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是直接影響激光雷達探測性能。

本文主要以Φ400mm星載激光雷達望遠鏡主鏡為研究對象，從材料選擇、輕量化、結(jié)構(gòu)形式和固定方式等方面對主鏡組件進行設(shè)計，并對其組件力學穩(wěn)定性進行分析研究。

1 主鏡組件設(shè)計

1.1 主鏡超輕量化結(jié)構(gòu)

主鏡支撐方案可分為：側(cè)面支撐、中心支撐、背部支撐以及復合支撐。本文根據(jù)文獻所設(shè)計的主鏡超輕量化結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示，對其支撐結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與分析。該激光雷達望遠鏡主鏡材料采用SiC，重量約為4.4kg，輕量化率較實體鏡體達到80%，采用背部三點支撐。

圖1 主鏡超輕量化結(jié)構(gòu)圖

1.2 膠接件結(jié)構(gòu)設(shè)計

膠接件主要作用實現(xiàn)主鏡與背板聯(lián)接的主要結(jié)構(gòu)。在設(shè)計膠接件時，首先選擇合適的材料必須與主鏡的線膨脹系數(shù)接近，來降低在熱環(huán)境下熱應力的影響，因此本文設(shè)計的膠接件采用線膨脹系數(shù)極低的殷鋼材料，來實現(xiàn)與主鏡材料相匹配。選擇合適的膠接劑，直接關(guān)系到膠接性能，本文選擇GHJ-01（Z）型環(huán)氧膠，因為其具有收縮率小、粘結(jié)強度高以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于其固化收縮會產(chǎn)生較大的粘結(jié)應力，所以設(shè)計膠接件時，必須設(shè)計合適的膠接面積，使得膠接劑在固化收縮過程中產(chǎn)生較小的粘結(jié)應力，來提高膠層的粘結(jié)強度。主鏡光機組件在膠結(jié)時，其最小膠結(jié)面積計算公式如下：

上式中，W為主鏡重量；α為惡劣環(huán)境下的加速度；f為安全系數(shù)，取值范圍為2～4；J為膠結(jié)計的抗拉或抗剪強度。

已知主鏡質(zhì)量約為4.4 kg，膠結(jié)劑拉伸強度約為14 MPa，在最惡劣環(huán)境400g加速度工況下，安全系數(shù)取4，則利用公式1計算出最小粘結(jié)面積為502.86mm。為了減小膠接應力，對膠接件進行開豁口處理，通過增加粘結(jié)區(qū)域的膠接件柔度，來補償膠層的收縮量。本文所設(shè)計的膠接件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用六點均布粘結(jié)，重量約為0.29 kg。

圖2 膠接件模型圖

1.3 柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

柔性支撐結(jié)構(gòu)是通過降低自身結(jié)構(gòu)剛度來降低主鏡在不同工況下（運輸、發(fā)射、在軌運行等載荷沖擊）對面型精度的影響，同時減小由溫度變化引起的熱變形?？紤]實際加工技術(shù)及便于設(shè)計，選擇切口型柔性支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，廣泛運用于空間主鏡支撐結(jié)構(gòu)中。根據(jù)柔性支撐結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)軸數(shù)目的不同，一般可分為單軸、雙軸、多軸及正交柔節(jié)4種方式，如圖3所示。

圖3 四種典型柔節(jié)圖

本文基于多軸柔性支撐結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了一種新型多軸復合柔性支撐結(jié)構(gòu)，材料為鈦合金。通過有限元技術(shù)計算，確定如圖4所示結(jié)構(gòu)，其一階自由頻率遠遠大于200 Hz。該結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)平臺與膠接件通過螺釘連接，支撐座與背板通過銷釘定位，螺釘連接的方式，通過柔性環(huán)節(jié)來減小主鏡裝配應力。

圖4 多軸復合柔性支撐結(jié)構(gòu)圖

1.4 背板結(jié)構(gòu)設(shè)計

主鏡背板主要承力部件，其結(jié)構(gòu)剛度要求高于500 Hz，且要求熱膨脹系數(shù)與主鏡材料相接近，因此采用鋁基碳化硅材料，通過輕量化設(shè)計，獲得如圖5所示的主鏡背板結(jié)構(gòu)模型。背板總重量約為2.9 kg，通過有限元分析，其一階自然模態(tài)頻率遠遠大于500 Hz。

圖5 主鏡背板圖

1.5 中心芯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

中心芯軸起到主鏡徑向限位的作用，與主鏡采用間隙配合，通過輕量化設(shè)計，獲得如圖6所示的中心芯軸結(jié)構(gòu)模型，其材料采用碳基碳化硅復合材料，與主鏡背板采用2個銷釘精確定位，6個M5螺釘固定。

圖6 中心芯軸圖

2 主鏡組件力學特性分析

如圖7所示，為主鏡光機組件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，主要有主鏡（4.4kg）、膠接件（0.23kg×3）、柔性支撐件（0.3kg×3）、中心芯軸（0.18kg）和背板（2.9kg）組成，總重為9.07kg。

圖7 主鏡組件爆炸圖

如圖8所示，為望遠鏡主鏡組件的有限元模型，共有450 538個節(jié)點和238 217個網(wǎng)格單元，建立坐標系XYZ。

圖8 主鏡組件有限元模型圖

2.1 主鏡組件靜力學分析

對主鏡組件進行靜力學分析，獲得主鏡鏡面節(jié)點變形原始數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件自行編制的程序分離剛體位移，通過Zernike多項式對主鏡面型進行擬合，獲得去除剛體位移后的面型云圖如圖9～11所示，為不同方向重力載荷下主鏡面型云圖。

圖9 X向重力主鏡面形云圖

圖10 Y向重力主鏡面形云圖

圖11 Z向重力主鏡面形云圖

獲得的主鏡的面形精度及剛體位移參數(shù)如表1所示。

表1 主鏡面形仿真結(jié)果表

設(shè)計望遠鏡主鏡結(jié)構(gòu)時，往往是以RMS值為指標。主鏡組件在徑向X、徑向Y以及軸向Z方向上的RMS（含剛體位移）值分別為3.06 nm（0.004 8λ@632.8 nm）、4.94 nm（0.007 8λ@632.8 nm）以及11.3 nm（0.017 9λ@632.8 nm）；RMS（不 含 剛 體 位 移）值 分 別 為2.57 nm（0.004λ@632.8 nm）、2.55 nm（0.004λ@632.8 nm）以及11 nm（0.019λ@632.8 nm）；RMS優(yōu)于λ/40（λ@632.8 nm）。可知光學元件由于不同外載荷產(chǎn)生的剛體位移對擬合面型擬合精度不同程度影響，必須去除剛體位移再進行Zernike多項式擬合面型。產(chǎn)生的剛體平動主要表現(xiàn)為重力方向的平移，在徑向上的平移最大為0.4 μm；繞X軸和Y軸的傾斜數(shù)量級很小，可忽略。

2.2 主鏡組件動力學分析

在火箭發(fā)射階段，主鏡光機組件承受著過大運載載荷，為了避免發(fā)射過程中出現(xiàn)塑性變形，造成失效，必須保證其具有高的動態(tài)特性，其模態(tài)分析如圖12所示，為主鏡光機組件前四階約束模態(tài)振型圖。

圖12 主鏡組件前四階振型圖

表2列出了主鏡前四階約束模態(tài)頻率以及振型，可以得出，一階基頻為659.24 Hz，遠遠超過不低于200 Hz的設(shè)計指標，保證主鏡組件在發(fā)射階段不發(fā)生共振，滿足運載火箭發(fā)射要求。

表2 主鏡組件前四階模態(tài)表

3 總結(jié)

本文基于SIC的背部三點支撐的超輕量化主鏡結(jié)構(gòu)模型，對主鏡支撐結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計，其中膠接件采用六點均布粘結(jié)，材料采用殷鋼，重為0.23 kg×3；設(shè)計一種新型多軸復合柔性支撐結(jié)構(gòu)，材料采用鈦合金，重為0.3 kg×3；主鏡背板采用鋁基碳化硅材料，重僅為2.9 kg，一階基頻遠超出500 Hz的設(shè)計要求；中心芯軸采用鋁基碳化硅材料，重僅為0.18 kg。對主鏡組件進行力學特性分析，結(jié)果表明：在徑向重力X、Y以及軸向重力Z作用下，主鏡面型RMS優(yōu)于λ/40（λ@632.8 nm）。一階基頻為659.24 Hz，遠超過不低于200 Hz的設(shè)計要求，為主鏡組件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了思路和參考。

4 感謝

感謝中國科學院合肥物質(zhì)研究院大氣光學重點實驗室激光雷達研究室提供平臺和數(shù)據(jù)支持。