王 智

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

對地球周圍等離子體層結(jié)構(gòu)和輻射特性的研究是“嫦娥三號”工程任務(wù)的一個重要科學(xué)目標(biāo)，月基極紫外相機就是針對這一科學(xué)目標(biāo)而研制的光學(xué)有效載荷。極紫外相機安裝在月球著陸器的頂部，隨月球著陸器經(jīng)歷衛(wèi)星發(fā)射、地月變軌，最后著陸在月球表面北緯44°虹灣地區(qū)，對地球等離子體層的結(jié)構(gòu)和輻射特性進行觀測研究。為了實現(xiàn)在月球表面對地球等離子體層的探測，極紫外相機的光學(xué)系統(tǒng)需具有小尺寸、大視場，并設(shè)計為正入射結(jié)構(gòu)和多層膜單反射鏡和球面光子探測器的結(jié)構(gòu)形式［1］。為了實現(xiàn)對地球的尋找，極紫外相機的跟蹤機構(gòu)采用俯仰-方位模式，而照準(zhǔn)架是實現(xiàn)俯仰、方位轉(zhuǎn)動的關(guān)鍵支撐部件。照準(zhǔn)架的剛度、強度以及熱尺寸穩(wěn)定性直接影響到整機的剛度及轉(zhuǎn)動性能，因極紫外相機需要承受月表著陸過程的大量級振動沖擊以及月表晝夜高達(dá)300℃的溫差，而極紫外相機沒有主動溫控資源，僅有保溫措施，這種情況下，照準(zhǔn)架的環(huán)境適應(yīng)性對相機能否實現(xiàn)對地球的捕獲起到關(guān)鍵作用。

為了滿足嫦娥三號對極紫外相機提出的質(zhì)量盡量輕的要求，照準(zhǔn)架的材料必須采用性能優(yōu)異的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是目前實現(xiàn)這一要求的最佳選擇。CFRP是20世紀(jì)60年代崛起的一種新型結(jié)構(gòu)材料［2-4］，CFRP以其比強度高、比模量高、密度小、高溫性能好、性能可設(shè)計，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空航天領(lǐng)域四大結(jié)構(gòu)材料。CFRP在國外航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、運載火箭、精密支撐結(jié)構(gòu)件及光學(xué)鏡體幾個方面:如美國應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星(ATS-F)上的天線支撐桁架，日本M-5火箭發(fā)動機的殼體，美國哈勃望遠(yuǎn)鏡的主支撐結(jié)構(gòu)，以及歐洲空間局采用高模量碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制造成功的鏡面。

我國在航天領(lǐng)域?qū)FRP的研究始于20世紀(jì)70年代，該材料在我國衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件、大型運載火箭及空間相機上有著廣泛應(yīng)用，如:我國自行研制衛(wèi)星的主體骨架結(jié)構(gòu)、外殼結(jié)構(gòu)、太陽能電池板組件、天線結(jié)構(gòu)等，另外在運載火箭的承力結(jié)構(gòu)件上，如衛(wèi)星接口支架、梁、有效載荷支架等均有應(yīng)用。在空間遙感器領(lǐng)域，CFRP主要被應(yīng)用在遮光罩、遙感器支架、光闌板等強度要求較高的結(jié)構(gòu)件中。

CFRP在有較高剛度要求，尤其是在大量級力學(xué)環(huán)境、超大溫差環(huán)境下應(yīng)用在二維轉(zhuǎn)動機構(gòu)的照準(zhǔn)架上尚屬少見，因為月表環(huán)境條件對照準(zhǔn)架的剛度、熱穩(wěn)定性要求非常高，照準(zhǔn)架的剛度以及熱穩(wěn)定性決定著俯仰轉(zhuǎn)動機構(gòu)的成敗。月基極紫外相機的鏡頭安裝在俯仰轉(zhuǎn)動機構(gòu)中，因此，照準(zhǔn)架剛度和熱穩(wěn)定性更關(guān)系著相機探測任務(wù)的成敗，CFRP在月基極紫外相機照準(zhǔn)架上的成功應(yīng)用，是CFRP在空間遙感器領(lǐng)域的又一個重要的里程碑。本文從實際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計并研制了基于CFRP的月基極紫外相機照準(zhǔn)架，利用有限元分析的方法對不同材料的照準(zhǔn)架進行分析對比。驗證試驗表明，基于CFRP的照準(zhǔn)架的剛度、熱穩(wěn)定性能夠滿足極紫外相機的環(huán)境適應(yīng)性要求，且質(zhì)量小于其它金屬材料。

2 設(shè) 計［5-6］

2.1 極紫外相機照準(zhǔn)架設(shè)計原則

照準(zhǔn)架是連接極紫外相機方位軸系、支撐俯仰軸系的結(jié)構(gòu)件，其剛度和熱尺寸穩(wěn)定性是影響相機跟蹤性能的關(guān)鍵。因此，為了確保極紫外相機在月表復(fù)雜的空間環(huán)境以及惡劣的溫度條件下能正常工作，要求照準(zhǔn)架具有足夠的剛度、強度以及良好的熱尺寸穩(wěn)定性;保證相機鏡頭繞俯仰軸轉(zhuǎn)動0～90°;同時要求結(jié)構(gòu)的質(zhì)量盡量輕(見圖1)。

圖1 極紫外相機光機結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Model of optical-mechanical structure for EUV camera

2.2 極紫外相機照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

根據(jù)照準(zhǔn)架設(shè)計原則，采用了金屬材料和碳纖維復(fù)合材料兩種結(jié)構(gòu)形式，并對它們進行了工程分析比較。

(1)采用金屬材料的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用金屬材料的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。為方便俯仰軸系的反復(fù)安裝拆卸，照準(zhǔn)架為分體式設(shè)計，由螺釘和銷釘聯(lián)接，俯仰軸系兩端有鈦合金(TC4)鑲嵌件用以安裝軸承。由于照準(zhǔn)架的主要受力區(qū)在左右兩側(cè)的根部位置，所以根部設(shè)計成斜面，采用米字筋的加強方式增加其根部強度。考慮極紫外相機俯仰、方位軸系的工作溫度為－50～+70℃，照準(zhǔn)架的質(zhì)量盡可能小，采用了7A09和MB25兩種金屬材料。

圖2 金屬材料照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 Collimation frame structure based on metal material

(2)基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 基于CFRP照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.3 Collimation frame structure based on CFRP

圖4 鑲嵌件的連接方式Fig.4 Joint mode of inserts

基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，該CFRP照準(zhǔn)架也采用分體式設(shè)計?？紤]CFRP的工藝可實施性，照準(zhǔn)架兩側(cè)的減重方式采用方形孔的形式。俯仰軸系兩端、俯仰減速箱固定處、與方位軸系連接處均采用鈦合金(TC4)鑲嵌的方式，主要受力區(qū)域采用粘接和螺釘固定的方式(見圖4，序號7，12，14 為TC4 鑲嵌件，序號11，13為螺釘)，以保證其可靠性。照準(zhǔn)架底部的減重方式同圖2，這里只考慮CFRP的工藝可實施性，加大了減重孔的尺寸。另外，為了增加照準(zhǔn)架整體的剛度，照準(zhǔn)架的兩側(cè)設(shè)計有蒙皮。

3 工程分析

通過有限元分析方法對采用金屬材料和CFRP材料的照準(zhǔn)架進行了分析比較，主要比較了模態(tài)、重量以及整機的模態(tài)，選取了一種最優(yōu)的設(shè)計方案。

金屬材料照準(zhǔn)架的分析結(jié)果分別如圖5和表1所示。

圖5 金屬材料照準(zhǔn)架模態(tài)圖Fig.5 Modals of metal material collimation frame

表1 質(zhì)量及模態(tài)Tab.1 Weight and modal

CFRP照準(zhǔn)架的分析結(jié)果如圖6和表1所示。

圖6 CFRP照準(zhǔn)架模態(tài)圖Fig.6 Modals of CFRP collimation frame

表2 線膨脹系數(shù)Tab.2 Linear expansibility

從以上分析結(jié)果可以看出，CFRP照準(zhǔn)架相對于金屬材料照準(zhǔn)架無論是在自身的剛度還是對整機的剛度貢獻(xiàn)，都有很明顯的優(yōu)勢，且質(zhì)量與鎂合金(MB25)相當(dāng)，比鋁合金(7A09)輕了40%。在影響照準(zhǔn)架溫度適應(yīng)性的線膨脹系數(shù)方面，從表2可以看出CFRP有絕對優(yōu)勢。因此，極紫外相機采用基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

4 驗證試驗

驗證基于CFRP的照準(zhǔn)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析其是否合理，并考察CFRP照準(zhǔn)架的環(huán)境適應(yīng)性，主要是由溫度載荷試驗和力學(xué)振動試驗來進行，在試驗前、試驗中和試驗后，對極紫外相機上電，通過檢查俯仰、方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)是否能正常運轉(zhuǎn)來判斷。

4.1 溫度載荷試驗

溫度載荷試驗主要是通過高低溫存儲試驗來考察CFRP照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)溫度適應(yīng)性。按照試驗條件要求，俯仰機構(gòu)的存儲溫度為 －110～+110℃，高、低溫存儲試驗各4個循環(huán)，每個循環(huán)存儲12 h，如圖7所示。

圖7 高低溫存儲試驗Fig.7 Storage test of high and low temperatures

在高低溫存儲試驗過程中，在各測試溫度點給極紫外相機上電，俯仰、方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)運轉(zhuǎn)流暢，無卡滯現(xiàn)象，驗證了CFRP照準(zhǔn)架的溫度適應(yīng)性良好，滿足相機指標(biāo)要求。

4.2 力學(xué)振動試驗

通過對相機整機進行正弦、隨機振動試驗來考察CFRP照準(zhǔn)架力學(xué)適應(yīng)性。通過試驗工裝將整機固定在振動臺上，按照表3的試驗條件進行正弦、隨機振動試驗。圖8為在振動臺上進行極紫外相機力學(xué)振動試驗的照片。

表3 力學(xué)試驗條件Tab.3 Mechanical test conditions

圖8 極紫外相機振動試驗照片F(xiàn)ig.8 Mechanical test photo of EUV camera

在力學(xué)振動試驗前后，給極紫外相機上電，俯仰、方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)運轉(zhuǎn)流暢，無卡滯現(xiàn)象，驗證了CFRP照準(zhǔn)架的力學(xué)適應(yīng)性良好，滿足相機指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

嫦娥三號著陸器的月表著陸對極紫外相機的環(huán)境(溫度、力學(xué))適應(yīng)性提出了苛刻的要求，極紫外相機中照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計及其環(huán)境適應(yīng)性是影響相機轉(zhuǎn)動機構(gòu)的關(guān)鍵因素?？紤]相機質(zhì)量盡量輕的要求，設(shè)計了基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)，與金屬材料的照準(zhǔn)架進行有限元分析對比表明，其無論從剛度、強度、環(huán)境適應(yīng)性以及重量方面均有明顯優(yōu)勢。驗證試驗(溫度、力學(xué))前后，相機俯仰、方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)運轉(zhuǎn)自如，無卡滯現(xiàn)象，滿足相機指標(biāo)要求，證明了基于CFRP的照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足極紫外相機的環(huán)境適應(yīng)性要求。

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