空間相機(jī)碳纖維薄壁筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)

宋訓(xùn)鵬，龔小雪，張 雷，袁 健，楊云飛

（長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司，吉林 長春 130102）

1 引 言

空間遙感相機(jī)在對(duì)地觀測(cè)、太空探索等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)和軍事意義，隨著航天技術(shù)的發(fā)展和用戶對(duì)高分辨遙感產(chǎn)品日益增長的需求，大口徑、長焦距相機(jī)以其高分辨成像特性已成為空間相機(jī)的重要發(fā)展趨勢(shì)［1］。目前國際上大口徑遙感相機(jī)廣泛采用同軸三反光學(xué)系統(tǒng)［2］，此種系統(tǒng)中主、次鏡相對(duì)位置的變化對(duì)相機(jī)成像質(zhì)量影響很大，而大口徑、長焦距相機(jī)主次間隔大的特點(diǎn)又使得主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度進(jìn)一步增加。因此，如何合理地設(shè)計(jì)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)，使其既能夠滿足光學(xué)設(shè)計(jì)要求又能夠適應(yīng)空間相機(jī)嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，是一個(gè)值得深入研究的問題［3］。

目前，空間相機(jī)常采用的主次鏡支撐方案主要有單層桁架式、多層桁架式、筒式及筒式+桿組合式等。單層桁架式支撐方案將單桿受彎特性轉(zhuǎn)化為多桿受拉，采用碳纖維桁架桿進(jìn)行搭接，工藝成熟且可靠性高，但外包絡(luò)大，內(nèi)部需要額外添加一層遮光罩，安裝工藝復(fù)雜，且整體重量偏大，一般用于中型相機(jī)，如美國HiRISE［4］望遠(yuǎn)鏡（口徑0.5 m）。多層桁架式方案即在單層桁架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加桁架結(jié)構(gòu)層數(shù)，彌補(bǔ)了單層桁架結(jié)構(gòu)隨焦距增加而導(dǎo)致的撓度過大問題，適用于更大口徑長焦距相機(jī)，如美國的Hubble［5］空間望遠(yuǎn)鏡（口徑2.4 m，主次間距4.5 m）、光機(jī)所李志來［6］等人研制的長焦距空間相機(jī)（口徑1.125 m，主次間距2.63 m）。筒式方案具有剛度大、包絡(luò)小、兼具遮光等特點(diǎn)，碳纖維材料的筒式結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕且工藝日趨成熟，在空間相機(jī)中得到普遍應(yīng)用，通光口徑從0.4 m 到1.4 m 不等，如美國的Worldview4［7］（口徑1.1 m）、KEPLER［8］望遠(yuǎn)鏡（口徑1.4 m）和韓國的Kompsat 3/3A［9］（口徑0.8 m）等。筒式+桿組合式方案［10］，下部為筒式結(jié)構(gòu)，上部為數(shù)根支桿對(duì)心向上，筒與桿相對(duì)高度可根據(jù)載荷條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，此類結(jié)構(gòu)輕量化率高，但整體剛度偏差，適用于中小型相機(jī)。

本文基于大口徑、長焦距相機(jī)特點(diǎn)，以某型號(hào)同軸光學(xué)系統(tǒng)相機(jī)為研究對(duì)象，首先對(duì)主次鏡支撐基結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了選擇，隨后依照筒式基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵組部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)及分析選型。接著根據(jù)碳纖維鋪層可設(shè)計(jì)性，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了關(guān)鍵尺寸—鋪層厚度—鋪層角度的迭代優(yōu)化及工程分析。最后利用自準(zhǔn)直測(cè)量方法，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性和穩(wěn)定性，通過力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，檢驗(yàn)了工程分析結(jié)果的正確性。

2 設(shè) 計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇

相機(jī)采用同軸三反光學(xué)系統(tǒng)，主、次鏡間距為1 500 mm，為保證優(yōu)異的光學(xué)系統(tǒng)靜態(tài)傳函，要求主、次鏡相對(duì)位移變化量小于10 μm，相對(duì)角度變化量小于7.2″。同時(shí)，為克服火箭發(fā)射階段動(dòng)力學(xué)輸入對(duì)相機(jī)的影響，一般要求相機(jī)整機(jī)基頻大于70 Hz，考慮主背板及各處連接關(guān)系對(duì)基頻的影響，要求主次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階固有頻率大于100 Hz。

由于相機(jī)口徑大、焦距長，主、次鏡間距較大，若采用一般金屬材料，相機(jī)在溫變工況下次鏡相對(duì)主鏡軸向剛體位移將難以控制。若增設(shè)次鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)，則造成系統(tǒng)前端重量增加，相機(jī)一階頻率下降，不利于提高空間相機(jī)的輕量化和動(dòng)力學(xué)剛度。

碳纖維復(fù)合材料具有密度小、比剛度高，同時(shí)具有單方向彈性模量和熱脹系數(shù)可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，已在航天相機(jī)中得到廣泛應(yīng)用［11］。通過不同的鋪層設(shè)計(jì)和加工工藝成型，可充分發(fā)揮支撐結(jié)構(gòu)各部位結(jié)構(gòu)剛度特點(diǎn)，同時(shí)得到較低的軸向熱脹系數(shù)，符合大口徑、長焦距相機(jī)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

常用的碳纖維牌號(hào)主要有T 系列和M 系列，T 系列作為高強(qiáng)度牌號(hào)廣泛應(yīng)用于遮光罩、光闌等部件，而相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)通常采用高模量的M系列。從性能和價(jià)格等多方面考慮，本文選用M40J 作為主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的材料，其單層板的材料屬性如表1 所示。

表1 M40J 單層板材料參數(shù)Tab.1 Single-layer board material parameters of M40J

2.2 主次鏡支撐基結(jié)構(gòu)形式的確定

筒式基結(jié)構(gòu)相較于單層桁架式和雙層桁架式基結(jié)構(gòu)，具有包絡(luò)小且無需額外遮光組件等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)桁架式基結(jié)構(gòu)裝配過程中需借助精密的裝配工裝來保證其并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的無應(yīng)力裝配，裝配過程復(fù)雜且周期較長；而筒式基結(jié)構(gòu)中工裝僅用于打定位銷孔，工裝精度要求較低，僅需一定精度的定位銷孔和帶肩螺釘即可完成裝配，裝配周期短且更容易控制裝配應(yīng)力。

相較于筒+桿組合式結(jié)構(gòu)，筒式基結(jié)構(gòu)次鏡支撐梁跨度更小，整體剛度更高，在較大口徑系統(tǒng)中力學(xué)特性要明顯優(yōu)于筒+桿組合式結(jié)構(gòu)。

此外，由于碳纖維鋪層工藝的日趨成熟，對(duì)筒式基結(jié)構(gòu)重量影響最為顯著的筒壁可以越做越薄，使得筒式基結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間進(jìn)一步增大。因此，綜合考慮選擇筒式結(jié)構(gòu)作為給定光學(xué)系統(tǒng)的主次鏡支撐方案。

2.3 筒式支撐結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)外用于航天相機(jī)的筒式支撐結(jié)構(gòu)主要由次鏡支撐梁、筒身、前端加強(qiáng)環(huán)和縱向加強(qiáng)筋等組部件構(gòu)成［2，7，10，12］，如圖1 所示。在確定筒式結(jié)構(gòu)作為主次鏡支撐基結(jié)構(gòu)形式后，根據(jù)筒式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依次對(duì)其次鏡支撐梁、前端加強(qiáng)環(huán)和縱向加強(qiáng)筋的幾何結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析選型。

圖1 筒式支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cylindrical support structure

2.3.1 次鏡支撐梁的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的次鏡支撐梁主要有對(duì)稱支撐和偏置支撐兩種方式，其結(jié)構(gòu)形式示意圖分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 對(duì)稱支撐方式Fig.2 Symmetrical support method

圖3 偏置支撐方式Fig.3 Offset support method

為比較兩種次鏡支撐形式在筒式結(jié)構(gòu)下的優(yōu)劣性，分別將兩種支撐梁置于相同筒式結(jié)構(gòu)下進(jìn)行分析對(duì)比?？刂苾煞N支撐形式次鏡接頭質(zhì)量、梁截面形式和尺寸相同以及梁與接頭連接面積等一致。兩種支撐梁布局形式在筒式結(jié)構(gòu)下一階固有頻率、軸向頻率和次鏡自重工況剛體位移如表2 所示。

表2 次鏡支撐梁布局形式分析與對(duì)比Tab.2 Analysis and comparison of layout form of secondary mirror support beam

根據(jù)表2 計(jì)算結(jié)果可知，次鏡支撐梁偏置形式下筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)較對(duì)稱方式一階固有頻率高2.89%，軸向頻率高4.20%，次鏡自重剛體位移小9.73%。由此可知，在筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)下，次鏡支撐梁布局采用偏置形式的力學(xué)性能總體上優(yōu)于對(duì)稱形式，因此次鏡支撐梁選取了偏置支撐形式。

2.3.2 縱向加強(qiáng)筋的的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)碳纖維成型及粘接工藝，縱向加強(qiáng)筋的截面形式主要有“幾”型和“⊥”型兩種，如圖4 所示，其中“⊥”型截面縱向加強(qiáng)筋通常成對(duì)對(duì)稱布置。

圖4 縱向加強(qiáng)筋截面形式示意圖Fig.4 Schematic diagrams of the cross-sectional form of the longitudinal stiffener

在相同截面面積下（同時(shí)保證與筒身側(cè)壁粘接部分截面面積一致），分別對(duì)兩種加強(qiáng)筋筒式結(jié)構(gòu)的一階固有頻率、軸向一階頻率和次鏡自重工況剛體位移進(jìn)行分析對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 縱向加強(qiáng)筋截面形式分析與對(duì)比Tab.3 Analysis and comparison of sectional forms of longitudinal stiffeners

從表3 可知，采用“幾”型截面縱向加強(qiáng)筋較“⊥”型截面縱向加強(qiáng)筋，筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階固有頻率高1.87%，軸向一階頻率高0.14%，次鏡自重剛體位移小7.01%。由此可知，“幾”型截面縱向加強(qiáng)筋整體剛度更優(yōu)，因此選取“幾”型作為縱向加強(qiáng)筋截面形式。

3 優(yōu) 化

筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料，是采用單層碳纖維板通過不同的鋪層角度和鋪層順序鋪設(shè)而成的層合板。支撐結(jié)構(gòu)中采用碳纖維鋪層的組部件主要有次鏡支撐梁、筒身、前端加強(qiáng)環(huán)和縱向加強(qiáng)筋，各部件根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力狀況的不同，又分別有不同的最優(yōu)鋪層厚度和鋪層角度。因此，根據(jù)碳纖維材料的這種鋪層特性，筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程可分為關(guān)鍵尺寸的遍歷、該尺寸下鋪層厚度的優(yōu)化和該鋪層厚度下鋪層的角度優(yōu)化以及此三步的迭代，優(yōu)化流程如圖5 所示。

圖5 筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖Fig.5 Flow chart of optimization of supporting structure of cylindrical primary and secondary mirrors

3.1 關(guān)鍵尺寸的遍歷

筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸主要包括次鏡支撐梁的高度Hliang和寬度Kliang、筒身前端加強(qiáng)環(huán)的高度Hhuan和寬度Khuan以及縱向加強(qiáng)筋的高度Hjizi和寬度Kjizi。依次更改以上參數(shù)尺寸，并對(duì)各次更改后的模型進(jìn)行鋪層厚度優(yōu)化及角度優(yōu)化。

根據(jù)空間布局和實(shí)際加工工藝，對(duì)遍歷對(duì)象的取值范圍進(jìn)行約束，如表4 所示。

表4 關(guān)鍵尺寸遍歷取值范圍Tab.4 Value ranges of key dimension traverses

3.2 鋪層厚度優(yōu)化

鋪層厚度優(yōu)化即尺寸優(yōu)化，一般也叫參數(shù)優(yōu)化［13］（改變模型參數(shù)值，網(wǎng)格模型保持不變），是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最基本層次，在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、布局和外形幾何的情況下，通過改變有限元分析中的單元特性，如板殼單元的厚度、桿梁?jiǎn)卧钠拭妫娣e、慣性矩等），從而使結(jié)構(gòu)最輕而變形最小。由于航天結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中往往追求輕量化，故將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕［14-15］；考慮相機(jī)抵抗火箭發(fā)射過程中軸向輸入響應(yīng)、整機(jī)剛度以及光學(xué)設(shè)計(jì)所提出的主次偏心等指標(biāo)，以主次鏡支撐結(jié)構(gòu)軸向頻率、一階固有頻率和次鏡自重位移為約束條件，分別對(duì)次鏡支撐梁厚度Tliang、筒身厚度Tts、前端加強(qiáng)環(huán)厚度Tjqh和縱向加強(qiáng)筋厚度Tjqj進(jìn)行鋪層厚度優(yōu)化。優(yōu)化過程中各組部件材料屬性賦值上一鋪層角度優(yōu)化階段得到的等效鋪層參數(shù)，初始參數(shù)根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)賦值。

該模型的數(shù)學(xué)描述為：

3.3 鋪層角度優(yōu)化

鋪層角度優(yōu)化的目的是在確定結(jié)構(gòu)尺寸及鋪層厚度的情況下，通過調(diào)整鋪層角度及各角度比例，充分發(fā)揮各組部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)在重量一定的情況下，剛度進(jìn)一步提高。

考慮到實(shí)際鋪層工藝，支撐結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)［16］采用對(duì)稱鋪層，消除耦合剛度，例如+45°鋪層與-45°鋪層必須成對(duì)出現(xiàn)。次鏡支撐梁以沿梁長度方向?yàn)?°方向，采用0°和±15°的鋪層角度，以充分發(fā)揮梁結(jié)構(gòu)抗拉的特性。筒身結(jié)構(gòu)以光軸方向?yàn)?°方向，采用0°、90°、±45°的三種鋪層角度組成，其中±45°鋪層角度可同時(shí)提高筒身抗拉及抗扭特性，有利于保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；0°、90°混合鋪層，可搭配出最適合該尺寸結(jié)構(gòu)下筒身的等效彈性模量。前端加強(qiáng)環(huán)以周向?yàn)?°方向，采用±15°和90°的鋪層角度組成，為保證纖維連續(xù)性，應(yīng)盡量避免0°鋪層；采用90°鋪層可減少相同角度連續(xù)鋪層情況，提高鋪層工藝性。縱向加強(qiáng)筋以沿筋長度方向?yàn)?°方向，采用0°和±15°的鋪層角度，充分發(fā)揮桿結(jié)構(gòu)抗拉的特性。

鋪層角度優(yōu)化過程與尺寸優(yōu)化過程類似，優(yōu)化目標(biāo)為主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的剛度最高，約束條件為整機(jī)質(zhì)量與優(yōu)化前保持一致。分別對(duì)筒身0°鋪層TS0、±45°鋪層TS45、90°鋪層TS90，前端額外翻邊±15°鋪層TS15、90°鋪層TS90和次鏡支撐梁0°鋪層TS0、±15°鋪層TS15鋪層層數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可得到各部件等效鋪層參數(shù)，等效鋪層參數(shù)用于迭代過程中代入下一輪的鋪層厚度優(yōu)化階段。

3.4 迭代優(yōu)化結(jié)果

通過結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸、鋪層厚度和鋪層角度迭代優(yōu)化，最終確定筒式結(jié)構(gòu)各部件關(guān)鍵尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)厚度及其鋪層角度，各部件鋪層厚度結(jié)果如表5 所示，最優(yōu)鋪層角度等效參數(shù)結(jié)果如表6所示。

表5 各部件鋪層厚度優(yōu)化結(jié)果Tab.5 Results of layer thickness optimization for each part（mm）

表6 各部件鋪層角度優(yōu)化等效參數(shù)結(jié)果Tab.6 Result of optimal equivalent parameters for key layup angles of each structure

4 工程分析

4.1 靜力學(xué)分析

空間相機(jī)的靜力學(xué)分析工況主要包括1g 自重工況、2 ℃均勻溫升工況以及1g 自重與2 ℃均勻溫升耦合工況。將優(yōu)化后的主次鏡支撐結(jié)構(gòu)帶入整機(jī)有限元模型，分別計(jì)算各工況下主次鏡相對(duì)位移與相對(duì)轉(zhuǎn)角，各工況變形云圖如圖6～8所示，計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

表7 各靜力學(xué)工況下主、次鏡相對(duì)變形Tab.7 Relative deformation of primary and secondary mirrors under various static conditions

圖6 1g 自重工況下變形云圖Fig.6 Deformation cloud diagram under 1g self-weight condition

圖7 2 ℃均勻溫升工況下變形云圖Fig.7 Deformation cloud diagram under the condition of uniform temperature rise at 2 ℃

圖8 1g 自重與2 ℃均勻溫升耦合工況下變形云圖Fig.8 Deformation cloud diagram under the coupling condition of 1g self-weight and 2 ℃uniform temperature rise

根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果可知，在1g 自重工況下主、次鏡最大相對(duì)位移為1.91 μm，最大轉(zhuǎn)角為0.84″；2 ℃均勻溫升工況下最大相對(duì)位移為5.96 μm，最大轉(zhuǎn)角為4.12″；耦合工況下最大位移為5.97 μm，最大轉(zhuǎn)角為4.96″；滿足光學(xué)設(shè)計(jì)提出的主、次鏡相對(duì)位移小于10 μm，相對(duì)轉(zhuǎn)角小于7.2″指標(biāo)要求。

4.2 動(dòng)力學(xué)分析

約束主次鏡支撐結(jié)構(gòu)底端12 個(gè)連接孔，進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)固有模態(tài)分析。計(jì)算得到其前14 階頻率，其中第3 至13 階頻率均為筒身局部模態(tài)，第14 階為次鏡軸向頻率。主次鏡支撐結(jié)構(gòu)第1～3階和第14 階模態(tài)分析結(jié)果與振型描述如表8 所示，頻率振型如圖9 所示。

圖9 筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)約束狀態(tài)下振型Fig.9 Vibration of cylindrical primary and secondary mirror support structure under restraint

表8 主次鏡支撐結(jié)構(gòu)第1～3 和14 階頻率及對(duì)應(yīng)振型描述Tab.8 Description of the 1st-3rd and 14th order frequencies and corresponding mode shapes of the primary and secondary mirror support structures

根據(jù)模態(tài)分析可知，主次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階頻率為129.1 Hz，次鏡沿軸向頻率190.2 Hz，筒身由于壁厚較薄，在低階頻率中存在局部模態(tài)，但頻率為167.6 Hz，遠(yuǎn)高于火箭發(fā)射的100 Hz 頻率。工程分析結(jié)果表明，筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)力學(xué)剛度，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 靜力學(xué)檢測(cè)試驗(yàn)

碳纖維筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)檢測(cè)試驗(yàn)包括穩(wěn)定性檢測(cè)試驗(yàn)和繞Y軸翻轉(zhuǎn)180°后的靜力學(xué)檢測(cè)試驗(yàn)。

穩(wěn)定性檢測(cè)試驗(yàn)的目的是監(jiān)測(cè)次鏡安裝點(diǎn)相對(duì)于主次鏡支撐結(jié)構(gòu)底部安裝點(diǎn)在一段時(shí)期內(nèi)的變化量，以保證相機(jī)在裝調(diào)及工作狀態(tài)下系統(tǒng)波相差的穩(wěn)定性。具體檢測(cè)方法為：將主次鏡支撐結(jié)構(gòu)安裝于翻轉(zhuǎn)工裝，利用翻轉(zhuǎn)工裝將支撐結(jié)構(gòu)光軸置于水平狀態(tài)，分別在次鏡安裝點(diǎn)和翻轉(zhuǎn)工裝相應(yīng)表面粘貼棱鏡，并使用徠卡經(jīng)緯儀觀測(cè)兩棱鏡俯仰角度值（其測(cè)量誤差一般在1″左右），兩棱鏡俯仰角差值變化量即為次鏡安裝點(diǎn)相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)底部安裝點(diǎn)變化量。對(duì)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖10 所示，監(jiān)測(cè)過程中將環(huán)境溫度變化控制在±0.2 ℃，空氣濕度變化在±2%以內(nèi)，并做好記錄，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表9 所示。

表9 穩(wěn)定性檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.9 Stability test data

圖10 使用經(jīng)緯儀進(jìn)行靜力學(xué)檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.10 Site map of static testing test using theodolite

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，在溫度、空氣濕度相對(duì)恒定的試驗(yàn)條件下，次鏡安裝點(diǎn)處棱鏡相對(duì)于工裝板處棱鏡俯仰角實(shí)測(cè)值相對(duì)差值變化量均小于（-0.2987-（-0.2986））×3600=-0.36（″），表明碳纖維筒式支撐結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

主次鏡支撐結(jié)構(gòu)繞Y軸翻轉(zhuǎn)180°靜力學(xué)檢測(cè)試驗(yàn)的目的是檢測(cè)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)在重力方向由+X向變?yōu)?X向后次鏡安裝點(diǎn)相對(duì)于底部安裝點(diǎn)俯仰角變化量，以驗(yàn)證次鏡轉(zhuǎn)角值是否滿足設(shè)計(jì)要求。具體檢測(cè)方法為：在穩(wěn)定性檢測(cè)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，保證主次鏡支撐結(jié)構(gòu)與工裝板1 固連不動(dòng)，通過調(diào)整工裝板2 相對(duì)板1 位置狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)繞Y軸翻轉(zhuǎn)180°，如圖11所示。

圖11 翻轉(zhuǎn)工裝實(shí)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)繞Y 軸翻轉(zhuǎn)180°流程圖Fig.11 Flow chart of turning the tooling to realize the support structure turning 180°around the Y axis

對(duì)翻轉(zhuǎn)后主次鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過程中保證環(huán)境溫度、濕度要求，檢測(cè)結(jié)果如表10所示。

表10 翻轉(zhuǎn)前后靜力學(xué)檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.10 Static testing data before and after flipping

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，在溫度、空氣濕度相對(duì)恒定的試驗(yàn)條件下，支撐結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)180°前后次鏡安裝點(diǎn)處棱鏡相對(duì)于工裝板處棱鏡俯仰角實(shí)測(cè)值相對(duì)差值變化量均小于（-0.2983-（-0.298 6））×3 600=1.08（″），由于此結(jié)果為主次鏡支撐結(jié)構(gòu)在重力方向由+X向變?yōu)?X向后測(cè)量結(jié)果，故次鏡安裝點(diǎn)在1g 自重下相對(duì)于底部安裝點(diǎn)俯仰角變化值為1.08″/2=0.54″，考慮1″級(jí)測(cè)量誤差，與計(jì)算結(jié)果0.14″基本吻合，且小于指標(biāo)要求的7.2″。表明碳纖維筒式支撐結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)剛度，滿足光學(xué)設(shè)計(jì)要求。

5.2 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)剛度和仿真分析的準(zhǔn)確性，將載有主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)工裝固定于振動(dòng)臺(tái)上，進(jìn)行特征級(jí)正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)工裝通過50 顆M16 螺釘與振動(dòng)臺(tái)連接，經(jīng)有限元計(jì)算不會(huì)影響主支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)結(jié)果。試驗(yàn)輸入條件如表11 所示。分別在主次鏡支撐結(jié)構(gòu)筒身、前端翻邊和次鏡安裝面等處粘貼加速度傳感器，并利用水平振動(dòng)臺(tái)和垂直振動(dòng)臺(tái)開展3個(gè)方向的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖12 所示。圖13 和圖14 分別為前端翻邊處傳感器在X、Y向掃頻下響應(yīng)曲線，圖15 為次鏡安裝面處傳感器在Z向掃頻下響應(yīng)曲線。各處響應(yīng)頻率試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析對(duì)比如表12 所示。

表11 特征級(jí)正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.11 Characteristic-level sinusoidal sweep vibration test conditions

表12 掃頻振動(dòng)試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析對(duì)比Tab.12 Analysis and comparison of swept frequency vibration test and simulation results

圖12 主次鏡支撐結(jié)構(gòu)在3 個(gè)方向的掃頻試驗(yàn)（其中X、Y 向共用一個(gè)振動(dòng)臺(tái)）Fig. 12 Frequency sweep test of primary and secondary mirror support structure in 3 directions（where X and Y directions share a shaking table）

圖13 主次鏡支撐結(jié)構(gòu)X 向掃頻響應(yīng)曲線Fig.13 X-direction sweep response curve of primary and secondary mirror support structures

圖14 主次鏡支撐結(jié)構(gòu)Y 向掃頻響應(yīng)曲線Fig.14 Y-direction sweep response curve of primary and secondary mirror support structure

圖15 主次鏡支撐結(jié)構(gòu)Z 向掃頻響應(yīng)曲線Fig.15 Z-direction sweep response curve of primary and secondary mirror support structure

根據(jù)表中匯總結(jié)果可知，筒身的特征點(diǎn)掃頻頻率為164.3 Hz，工程分析中筒身局部模態(tài)為167.6 Hz，誤差為1.97%；次鏡安裝接口的特征點(diǎn)掃頻頻率為182.2 Hz，與仿真結(jié)果相差4.21%；前端翻邊的特征點(diǎn)X向掃頻頻率為117.8 Hz，Y向掃頻頻率116.9 Hz，分別與仿真結(jié)果相差8.75%和9.66%，符合工藝制造方提出的筒式結(jié)構(gòu)因翻邊處沿徑向方向周長不等，無法連續(xù)鋪層所導(dǎo)致的整機(jī)結(jié)構(gòu)剛度下降10%左右的預(yù)期。通過試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的分析對(duì)比，表明了有限元仿真結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。主次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階固有頻率大于100 Hz，滿足火箭發(fā)射階段的動(dòng)力學(xué)要求。

6 結(jié) 論

本文基于大口徑、長焦距相機(jī)特點(diǎn)，以某型號(hào)同軸系統(tǒng)相機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并研制了滿足光學(xué)系統(tǒng)要求的空間相機(jī)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)給定的光學(xué)系統(tǒng)，確定了碳纖維筒式的主次鏡支撐基結(jié)構(gòu)形式，并依據(jù)筒式基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)筒式結(jié)構(gòu)各組部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析選型。根據(jù)碳纖維鋪層可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，對(duì)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了關(guān)鍵尺寸—鋪層厚度—鋪層角度迭代優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程分析。利用自準(zhǔn)直測(cè)量方法，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和靜力學(xué)特性，試驗(yàn)結(jié)果表明：次鏡在相同狀態(tài)下長期監(jiān)測(cè)差值變化量小于1.5″，重力翻轉(zhuǎn)前后變化量小于1.08″，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和一定的剛度，滿足主次鏡相對(duì)角度變化量小于7.2″的指標(biāo)要求。開展了特征級(jí)正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：主次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階固有頻率大于115 Hz，軸向頻率大于180 Hz，滿足一階固有頻率大于100 Hz 的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)要求。