 |
北京錦坤科技有限公司
主營產(chǎn)品： 射頻光纖傳輸模塊-微波光纖傳輸模塊-RF over Fiber-微波光纖延遲線-雷達目標模似器 |
14
聯(lián)系電話
|
北京錦坤科技有限公司
主營產(chǎn)品： 射頻光纖傳輸模塊-微波光纖傳輸模塊-RF over Fiber-微波光纖延遲線-雷達目標模似器 |
聯(lián)系電話
2012-12-6 閱讀(11463)
譚進國1，2，何欣1，付亮亮1
（1. 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；
2. 中國科學院研究生院，北京100039）
摘要： 所述空間遙感器反射鏡的工作溫度為18±15℃，要求反射鏡在此復雜工況條件下滿足設計要求。介紹了反射鏡材料和支撐結構材料的選擇；對反射鏡的支撐方式、輕量化等方面進行了分析討論；根據(jù)反射鏡柔性支撐結構的設計原理，采用CAD/CAE 工程軟件進行了分析及優(yōu)化，通過有限元法優(yōu)化設計了一種反射鏡中心支撐的柔性結構，在此溫度變化范圍內，反射鏡面形誤差變化量PV值小于λ /10、RMS 值小于λ /40（λ=632.8 nm）。zui后，通過力學環(huán)境實驗測試反射鏡面形變化量和反射鏡組件模擬件的動態(tài)特性，證明該結構滿足設計要求。
關鍵詞： 中心支撐； 小型反射鏡； 柔性結構
中圖分類號： TH122 文獻標志碼： A 文章編號： 1007-2276（2010）06-1070-05
Support technique in centre of minitype reflector
TAN Jin-guo1,2, HE Xin1, FU Liang-liang1
（1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China ；
2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China）
Abstract: The working temperature of space remote sensor reflector is 18 ±15 ℃ in this article, and
the reflector in the complex working condition needs to meet the design requirements. The choices of the reflector materials and the supporting structure materials were introduced. The supporting way and the lightweight structure of the reflector and so on were discussed. According to the design principles of the flexible supporting structure of the reflector and using CAD/CAE engineering software for analysis and optimization, a kind of reflector flexible structure of centre support was designed by means of finite element method （FEM）. Surface deformation less than λ /10 （PV） and λ /40 （RMS） （λ =632.8 nm）in this temperature range. Finally, the changes of reflector surface deformation and the dynamic characteristic of reflector component simulators were tested by the mechanical environment test. The conclusion is proved that the structure of the reflector meets the demand of the optical design.
Key words: Centre Support; Minitype reflector; Flexible structure
0 引言
隨著空間遙感事業(yè)的發(fā)展，空間遙感器的應用越來越廣泛，同時也對遙感器的成像質量提出更高的要
求。由于反射鏡的微小變形都會影響遙感器的成像質量，因此，反射鏡的支撐技術成為研制空間光學遙感器的關鍵技術之一。由于反射鏡是成像系統(tǒng)的關鍵部件，它的精度與穩(wěn)定性直接影響成像質量，因此，反射鏡的支撐技術成為工程應用的關鍵技術之一。此文研究的反射鏡是某型號空間小型遙感器的主鏡。其外形尺寸為184 mm×153 mm×30 mm， 鏡面面形精度達到PV≤λ/10，RMS≤λ/40（λ=632.8 nm），環(huán)境溫度為18 ±15℃。反射鏡的支撐要保證反射鏡在同一狀態(tài)下的位置及面形精度的穩(wěn)定性，同時，要有效減小與其連接的部件因外部環(huán)境變化產(chǎn)生的變形對鏡面精度的影響。此外，還需要反射鏡具有良好的動態(tài)性能，可承受發(fā)射階段產(chǎn)生的沖擊和振動。
1 組件設計
1.1 材料的選取
空間反射鏡材料的選取原則上應滿足： 可以拋光，并能鍍高反射率膜層；各向同性，尺寸穩(wěn)定；抗照，符合空間環(huán)境下的使用要求；比剛度大、熱畸變?。豢梢灾瞥奢p質鏡坯結構。常用的反射鏡材料性能指標見表1[1]。
從表中可以看出， SiC 和Zerodur 的綜合性能高于其他材料。SiC 具有的比剛度、導熱率和熱畸變指標，但它也存在較明顯的劣勢，即材料硬度高，導致加工效率低；材料致密性差，要進行表面改性來提高拋光后的表面粗糙度；生產(chǎn)成本高，加工周期長。與SiC 相比，Zerodur 的比剛度只有SiC 的1/4，導熱率小，受外界環(huán)境因素影響的概率較大，但其自身綜合性能較好，采購渠道通暢，加工工藝成熟，面形拋光周期短。綜合對比兩種材料后，選取Zerodur 作為反射鏡材料。在結構材料的選擇上，考慮到與反射鏡粘接的支撐結構由于膨脹系數(shù)不匹配會對反射鏡面形產(chǎn)生影響， 故支撐結構選擇與反射鏡匹配的超低膨脹合金；其他支撐材料選用比剛度相對較高、膨脹系數(shù)較小的鈦合金。由于要求本反射鏡在環(huán)境溫度變化范圍較大時仍能滿足位置及面形精度要求，所以，僅從材料的膨脹系數(shù)匹配上設計還遠遠達不到要求，還需要選擇合適的支撐方式以及對支撐結構進行優(yōu)化設計，以提高反射鏡對大范圍溫度變化環(huán)境的適應能力。
1.2 支撐方式的選擇
常用的反射鏡支撐方式有周邊支撐、側面支撐、背部支撐及中心支撐等。根據(jù)反射鏡的結構特點及空間尺寸的限制，選用中心支撐方式。所謂中心支撐，是以光學反射鏡的中心孔為定位基準的一種支撐方式。這種支撐方式主要采用膠接的方式在中心孔處放置與光學反射鏡線膨脹系數(shù)相匹配的柔性支撐結構。共有兩種約束形式：一種是反射鏡中心*約束；另一種是反射鏡由中心殷鋼筒支撐，中心筒的背部由鈦合金板支撐。文中的反射鏡采用中心支撐的第二種形式，與反射鏡粘接的支撐環(huán)材料采用與Zerodur 線膨脹系數(shù)比較接近的超低膨脹合金，粘接劑選擇強度高、凝固應力小的光學環(huán)氧樹脂膠，支撐環(huán)的背部用鈦合金三角板支撐。其中，將支撐環(huán)設置為應力釋放的柔性環(huán)節(jié)，用來減小組件裝配和環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應力對鏡面面形的影響。初步確定反射鏡組件如圖1 所示，各個零件需要進一步詳細設計。
1.3 組件的設計
1.3.1 反射鏡的設計
反射鏡是光學系統(tǒng)成像的重要元件，它要有足夠的剛度保證自身穩(wěn)定性，同時，質量要盡量輕，因此，
要對反射鏡進行輕量化設計。鏡厚比與自重變形的經(jīng)驗公式為：
式中：δ 為zui大自重變形，m；ρ 為材料密度，kg/m3；a 為圓盤半徑=D/2，m；t 為圓盤厚度，m；E 為材料彈性模量，Pa。反射鏡的自重變形與材料比剛度（E/ρ ）的一次方成反比，與徑厚比及口徑的平方成正比。以反射鏡的對角線為直徑，以面形精度為目標進行計算，得到反射鏡鏡厚比為7.5。反射鏡的輕量化設計綜合考慮鏡坯的支撐結構形式、輕量化及鏡面加工工藝等因素，通過工程分析對鏡面厚度、筋的寬度進行優(yōu)化設計，得到如圖2 所示的輕量化后的反射鏡，圖中的中心盲孔為與支撐結構粘接的孔。反射鏡的輕量化率為50%。
1.3.2 支撐環(huán)的設計[2-7]
支撐環(huán)的設計是反射鏡組件設計中的難點。它作為反射鏡與三角板的連接環(huán)節(jié)， 首先要提供足夠的剛
度，減小反射鏡在加工和檢測兩種狀態(tài)下由重力產(chǎn)生的變化，同時要保證反射鏡的相對位置精度；其次，支撐環(huán)要有足夠的柔性，在環(huán)境溫度±15 ℃范圍內，低體分硅鋁合金框架因溫度變化產(chǎn)生的變形要通過三角板及支撐環(huán)得到有效釋放，保證反射鏡的位置精度和面形精度在允差范圍內；在滿足以上兩點的同時，反射鏡組件要有良好的動態(tài)特性， 在經(jīng)過發(fā)射階段產(chǎn)生沖擊和振動后，仍能滿足光學系統(tǒng)對反射鏡成像質量的要求。基于上述要求，將支撐環(huán)分為三部分設計：上部設計成圓環(huán)狀，與反射鏡背部中心孔粘接，提供給反射鏡足夠的剛度，減小因輕量化引起自身剛度下降的影響；下部與三角板連接，采用圓形或三角形結構，通過計算分析確定；中部為柔性鉸鏈結構，有效減小組件對外連接產(chǎn)生的應力以及框架、三角板等其他零件因溫度變化產(chǎn)生的變形對鏡面面形的影響。柔性鉸鏈結構具有體積小、無機械摩擦、無空回及運動靈敏度高等優(yōu)點，其幾何尺寸如圖3 所示。圖中，b 為柔性鉸鏈寬度、t 為zui小厚度、R 為切割圓半徑、h 為高度、θm為圓心角。圖3
柔性鉸鏈的轉角可近似認為由多段彎曲變形累積而成。先求出在彎曲時微小段的曲率，再根據(jù)公式
y=f（x）上任意一點的曲率表達式，考慮轉角小的因素，得出公式為：
式中：M（x）為微元所受的力矩；E 為鉸鏈材料的彈性1072第6 期模量；J（x）為微元的慣性矩。當轉角很小時，
，將直角坐標轉化為極坐標， 用積分方法可以求出柔性鉸鏈的轉角θ ，zui后得出，在彎矩M 作用下的轉角剛度為：
式中：b 為鉸鏈厚度；R 為柔性鉸鏈的圓弧半徑；t 為柔性鉸鏈zui薄處厚度。通過上述理論公式，用計算機仿真的方法調整工作截面，改變彈性和剛度，以滿足設計要求。按常規(guī)設計思路，支撐環(huán)的下部通常設計成圓環(huán)結構，如圖4（a）所示，但是文中的反射鏡組件要求適應大范圍溫度變化， 計算分析時不能滿足設計要求，所以將下部設計成近似三角形環(huán)結構，如圖4（b）所示[8]。這兩種方案中，支撐環(huán)中部均為相對軸線均布的三組柔性片結構。
為對比兩種方案的差異，選擇對反射鏡面形影響zui大的工況進行分析，即靜力學加15 ℃溫升，鏡面面
形的PV 及RMS 值的分析結果如表2 所示。此時，三組柔性片的寬度取30 mm，在徑向上的厚度取3 mm，高度取10 mm。對比分析結果可以看出：在環(huán)境溫度變化較大時， 三角形環(huán)結構對反射鏡面形影響較小；第二種支撐方案的計算結果在允差范圍內。所以反射支撐環(huán)采用第二種方案。表2 反射鏡重力加15 °C 溫升條件下的鏡面面形精度
由于對支撐環(huán)的柔性化設計，必定損失反射鏡組件的動態(tài)剛度， 為了預示反射鏡組件的動態(tài)性能，對
其進行動力學約束模態(tài)分析，分析結果如表3 所示。
2 實驗驗證
為了檢驗支撐環(huán)的剛度及測試反射鏡組件的動力學性能， 將反射鏡制作實驗件進行力學環(huán)境實驗。反射鏡采用硬鋁（2A12）材料代替Zerodur， 只用于模擬質量特性； 支撐環(huán)的材料是超低膨脹合金（4J32）；三角板的材料是鈦合金（TC4），其結構、尺寸、精度及裝調工藝與正式件*相同。
力學環(huán)境實驗需要進行X、Y、Z 3 個方向的振動測試。依次在每一個方向進行0.2 g 的力學特性掃描，測定0～2 000 Hz 內的響應頻率；然后進行正弦振動和隨機振動實驗；再進行0.2 g 的力學特性回掃，對比兩次0.2 g 力學特性掃描數(shù)據(jù)。
經(jīng)振動測試，反射鏡的一階諧振頻率為394 Hz，正弦振動在0～100 Hz 內無諧振響應，實驗結果與設計分析結果基本符合，對比每個方向的兩次0.2 g 特征掃描數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)反射鏡組件的動態(tài)響應未發(fā)生變化。
為測試力學實驗對反射鏡面形的影響以及檢驗組件的抗振性能， 在反射鏡鏡面完成近似拋光后，將
組件安裝到框架上進行整機的驗收級振動實驗，實驗前后分別對反射鏡的面形進行檢測。反射鏡面形的
RMS 值由實驗前的0.238 λ 變?yōu)?.242 λ ， 變化在1.6%之內，可以判定：反射鏡組件具有足夠的抗振性能。
3 結論
根據(jù)設計輸入條件，綜合考慮反射鏡面形精度的影響因素，選擇合理的支撐方式，確定反射鏡及支撐
結構的材料。通過對支撐結構的設計，在滿足支撐剛度的前提下，減小由于環(huán)境溫度變化、其他零件產(chǎn)生的變形對反射鏡面形的影響。通過工程分析軟件優(yōu)化柔性環(huán)節(jié)設計，并計算出反射鏡在各工況條件下的數(shù)值。通過試驗件確定組件的力學性能；并在正式件近似球面拋光完成后進行力學實驗，對比實驗前后的反射鏡面形，zui終判定該支撐結構能有效減小反射鏡因外界環(huán)境及自身重力引起的面形變化。
參考文獻：
[1] FU Liang-liang，HE Xin， LIAN Feng-hui. Design and analysis of minitype reflector mirror supporting structure project [J].Optical Technique （付亮亮， 何欣, 廉鳳慧. 小型反射鏡支撐方案設計與分析． 光學技術）, 2008, 30（4）: 532-534.
[2] WANG Fu-guo, YANG Hong-bo, YANG Fei, et al. Optimization and analysis for the axis support points position of the large aperture mirrors [J]. Infrared and Laser Engineering （ 王富國,楊洪波, 楊飛, 等. 大口徑主鏡軸向支撐點位置優(yōu)化分析. 紅外與激光工程）, 2007, 36（6）: 877-880.
[3] XU Hong， WANG Xiang -jun. Applications of multispectral/ hyperspectral imaging technologies in military [J]. Infrared and Laser Engineering（許洪，王向軍. 多光譜、超光譜成像技術在軍事上的應用. 紅外與激光工程）, 2007, 36（1）: 13-17.
[4] CHEN Xiao -juan. Design and stability study of the reflector mirror support for the large larse facility [J]. Optics and Precision Engineering （陳曉娟. 大口徑反射鏡支承設計. 光學精密工程）, 2008, 16（2）: 179-183.
[5] YAN Yong, JIA Ji -qiang, JIN Guang. Design of new type spaceborne lightweighted primary mirror support [J]. Optics and Precision Engineering（閆勇，賈繼強，金光. 新型輕質大口徑空
間反射鏡支撐設計. 光學精密工程）, 2008, 16（8）: 1533-1539.
[6] GUO Jiang, HE Xin. Design on support for primary mirror of space remote sensing camera [J]. Optics and Precision Engineering （郭疆， 何欣. 大口徑空間遙感相機主反射鏡支 撐設計. 光學精密工程），2008, 16（9）: 1642-1647.
[7] WANG Zhong -su, ZHAI Yan, MEI Gui, et al. Design of
flexible support structure of reflector in space remote sensor
[J]. Optics and Precision Engineering （ 王忠素， 翟巖， 梅貴.
遙感器反射鏡柔性支撐的設計. 光學精密工程），2010, 18
（8）: 1833-1841.
[8] YODER Jr P R. Opto -Mechanical System Design [M]. 3rd
ed. US: SPIE Press, 2006: 557-561
將拓撲優(yōu)化軟件與NASTRAN 的結構分析功能相結合，對空間光學遙感器結構進行拓撲優(yōu)化，并將
拓撲優(yōu)化的結果用軟件MSC．PATRAN 顯示， 結果直觀，容易掌握。
參考文獻：
[1] WU Qing-wen． Light-weight technology and its application of
primary mirror in space camera [J]. Optics and Precision
Engineering（吳清文． 空間相機中主鏡的輕量化技術及其應
用． 光學精密工程）,1997，5（6）： 69-80．
[2] WU Qing -wen，YANG Hong -bo，YANG Jin -song，et al． Design
and analysis for primary mirror and its support of space
camera[J]． Optical Technique （ 吳清文， 楊洪波， 楊近松， 等．
空間相機中主鏡及其支撐方案設計與分析方法. 光學技
術）， 2004，30（2）： 152-156．
[3] GUAN Ying -jun， XIN Hong -wei， ZHAO Gui -jun， et al．
Topologic optimization design for main supporting structure
ofspace camera [J]． Optics and Precision Engineering （ 關英
俊， 辛宏偉， 趙貴軍， 等． 空間相機主支撐結構拓撲優(yōu)化設
計. 光學精密工程），2007，l5（8）： 1157-1163．
[4] WANG Wei, YANG Wei, CHANG Nan, et al. Based on
MSC. PATRAN/NASTRAN variable density method Topology
optimization system[J]. Mechanical Design（王偉，楊偉，常楠，
等. 基于MSC．PATRAN ／ NASTRAN 的變密度法拓撲優(yōu)化系
統(tǒng). 機械設計）, 2008,5: 5-8.
[5] SUI Yun-kang, DU Jia-zheng, PENG Xi-rong. MSC. Nastran
Finite Element Dynamic Analysis and Optimal Design and
Practical Tutorial [M]. Beijing: Science Press （ 隋允康， 杜家
政，彭細榮． MSC．Nastran 有限元動力分析與優(yōu)化設計實用
教程. 北京：科學出版社）, 2004.
[6] CHANG Jun，WENG Zhi -cheng． Design of optical system in
wide cover，abaxial space camera [J]． Optics and Precision
Engineering（常軍，翁志成.寬覆蓋離軸空問相機光學系統(tǒng)的
設計. 光學精密工程），2003，11（1）： 55-57．
[7] ZHANG Xue-jun, LI Zhi-lai, ZHANG Zhong-yu. Space escope
aspherical mirror structure design based on SiC material [J].
Infrared and Laser Engineering（張學軍，李志來，張忠玉.基于
SiC 材料的空間相機非球面反射鏡結構設計. 紅外與激光工
程）, 2007, 36（5）： 577-582.
[8] YAN Yong, JIN Guang, YANG Hong-bo. Lightweight structral
design of space mirror [J]. Infrared and Laser Engineering
（ 閆勇， 金光， 楊洪波. 空間反射鏡結構輕量化設計. 紅外
與激光工程）， 2008， 37（1）： 97-101.
