薛闖

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所空間光學(xué)研究一部, 吉林 長春 130033

1 概述

某星載溫室氣體探測儀的主要任務(wù)目標(biāo)是采用光學(xué)遙感技術(shù)手段，利用大氣氣體分子吸收池原理，精確測量CO2等溫室氣體的吸收光譜來精確反演大氣CO2含量。其中大平面反射式閃耀光柵是該設(shè)備的核心部件，是實現(xiàn)0.04nm超高光譜分辨率光譜測量的關(guān)鍵。

本文針對大平面反射式閃耀光柵的光學(xué)設(shè)計參數(shù)及探測儀總體技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)行了光柵支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。工程分析結(jié)果表明：光柵支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，能夠滿足工程研制任務(wù)要求。

2 光柵設(shè)計及其技術(shù)指標(biāo)要求

2.1 光柵外形尺寸

該平面反射式閃耀光柵形狀類似于跑道，其長邊、短邊尺寸分別為175mm、142mm，如圖1所示。

圖1 光柵外形尺寸

2.2 光柵技術(shù)指標(biāo)要求

a) 面形精度

光柵由于裝調(diào)、空間1g重力釋放、5℃環(huán)境溫度變化等外界耦合作用引起的刻劃表面波前變化（PV值）不大于λ/4，λ為632.8nm；

b) 剛度

光柵組件一階基頻不小于300Hz；

c) 重量

光柵組件重量不大于2.1Kg。

此外，由于探測儀的雜散光技術(shù)指標(biāo)要求很高，這就嚴(yán)格禁止光柵刻劃表面遭受劃傷、腐蝕以及塵埃污染等，要求光柵在組件級裝調(diào)、測試過程中必須具有防護(hù)措施。

3 光柵結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 光柵材料選擇

平面反射式光柵常用的基體材料有石英玻璃、鋁合金、碳化硅（SiC）等。由于光柵采用離子束刻蝕工藝制作，該種工藝對光柵基體材料的導(dǎo)電性及基體外形、厚度等有要求，因此綜合考慮之后，光柵基體材料選用碳化硅，主要原因是碳化硅屬于半導(dǎo)體材料，通電之后，在光柵基體表面易形成等電勢，能夠保證光柵刻劃的均勻性，另外碳化硅材料還有熱膨脹系數(shù)小、比剛度高等優(yōu)良特性。

3.2 光柵結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于平面反射式閃耀光柵，常用的結(jié)構(gòu)支撐方式有背部中心支撐[1]以及周邊支撐[2]兩種形式，光柵的外形尺寸為175mm×142mm，兩種支撐方式都能滿足光柵刻劃表面面形精度、光柵組件重量、光柵組件基頻等指標(biāo)要求，但考慮到大平面閃耀光柵的刻劃工藝以及嚴(yán)格的防護(hù)需求，最終決定采用周邊三點固定方式支撐[3]，光柵臥在安裝座中，這樣可以通過設(shè)計一塊防護(hù)板，保證光柵在組件級裝調(diào)、測試過程中隨時能夠處于密閉、受保護(hù)的環(huán)境中，避免了塵埃污染，光柵詳細(xì)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計、光柵基體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及光柵安裝座結(jié)構(gòu)設(shè)計分別如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 光柵組件等軸測背部視圖

圖3 光柵組件等軸測正視圖

圖4 光柵基體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5 光柵安裝座結(jié)構(gòu)設(shè)計

光柵基體的三個共面凹臺A、B、C分別和光柵安裝座的三個共面凸臺A、B、C配合接觸，再通過光柵壓板靠緊光柵背部限制光柵沿X軸平移以及繞Y軸、繞Z軸旋轉(zhuǎn)；光柵基體的兩個側(cè)壁I、II分別和光柵安裝座的兩個凸臺I、II配合接觸，再通過光柵頂板靠緊光柵側(cè)壁III限制光柵沿Y軸、Z軸平移以及繞X軸旋轉(zhuǎn)。光柵安裝座側(cè)壁設(shè)計有注膠孔，通過注膠孔注入硅橡膠對光柵進(jìn)行輔助支撐，在振動環(huán)境中，膠層起到緩沖、吸振作用。

為了節(jié)省重量、提高組件剛度，光柵背部、光柵安裝座設(shè)計了矩形輕量化孔。

3.3 消熱設(shè)計

消熱設(shè)計的目的是為了抑制由于溫度變化導(dǎo)致的光柵支撐結(jié)構(gòu)的變形對光柵結(jié)構(gòu)的扭曲作用。光柵基體材料為碳化硅（SiC），光柵安裝座材料選擇了殷鋼（4J32），原因是殷鋼的熱膨脹系數(shù)可調(diào)，能夠與碳化硅材料的熱膨脹系數(shù)基本匹配。但由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)不一定能做到完全匹配，因此需要通過合理設(shè)計零件間的配合尺寸來彌補兩種材料的熱膨脹系數(shù)匹配殘差，沿光柵刻劃表面法線方向（X向）的消熱設(shè)計原理如圖6所示。

圖6 光柵X向消熱設(shè)計

碳化硅、鈦合金材料的熱膨脹系數(shù)分別為2.39E-6/℃、8.9E-6/℃，訂制的殷鋼材料熱膨脹系數(shù)為2.61E-6/℃，假設(shè)溫度變化Δt℃，則按照圖6所示的零件布局及相關(guān)尺寸，只要h能滿足等式（1），則既能保證光柵壓板和光柵之間保持接觸狀態(tài)，卻又無接觸應(yīng)力，即實現(xiàn)了消熱設(shè)計。

經(jīng)過計算，滿足等式（1）的h值為0.525mm，沿光柵刻劃表面面內(nèi)（Y向和Z向）的消熱設(shè)計采用同樣原理。

4 工程分析

分析了光柵組件的固有模態(tài)以及空間1g重力釋放與5℃環(huán)境溫度變化耦合作用下光柵刻劃表面的面形變化情況，并根據(jù)分析結(jié)果對光柵本體結(jié)構(gòu)及其支撐機構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

4.1 有限元模型

采用Patran軟件建立了光柵組件的有限元分析模型，絕大部分網(wǎng)格單元采用六面體單元，光柵組件的有限元模型如圖7所示。

圖7 光柵組件有限元模型

4.2 熱、力耦合分析

分別分析計算了光柵組件在X、Y、Z三個方向1g重力釋放與±5℃環(huán)境溫度變化耦合作用下光柵刻劃表面面形精度變化情況，并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行了迭代優(yōu)化設(shè)計，最終分析計算結(jié)果如表1所示。

表1 熱、力耦合作用下光柵面形精度變化統(tǒng)計

從表1可以看出，在Y向1g重力與+5℃溫升耦合作用下光柵面形變化相對較大，但仍滿足指標(biāo)要求，該工況光柵刻劃表面的變形云圖如圖8所示。

圖8 Y向1g重力與+5℃溫升工況下光柵刻劃表面變形云圖

4.3 模態(tài)分析

采用Nastran軟件分析了光柵組件的固有模態(tài)[4]，光柵組件首階固有模態(tài)頻率為1223Hz，首階模態(tài)振形如圖9所示。

圖9 光柵組件首階模態(tài)振形圖

4.4 工程分析結(jié)論

從有限元分析結(jié)果可以看出，光柵組件的模態(tài)頻率足夠高，不會與探測儀主體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動耦合；消熱設(shè)計能夠消除光柵支撐結(jié)構(gòu)的變形對光柵結(jié)構(gòu)的扭曲作用。

5 結(jié)束語

本文針對某星載溫室氣體探測儀光柵元件的光學(xué)設(shè)計及其技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)行了光柵支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。工程分析結(jié)果表明：光柵的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，能夠滿足儀器對光柵及其支撐結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度、熱穩(wěn)定性、重量等要求，消熱設(shè)計能夠有效抑制光柵支撐結(jié)構(gòu)的變形對光柵結(jié)構(gòu)的扭曲作用，目前該種光柵支撐技術(shù)已經(jīng)在航天工程項目中得到實際應(yīng)用。

[1]王忠素，翟巖，梅貴等. 空間光學(xué)遙感器反射鏡柔性支撐的設(shè)計[J]. 光學(xué)精密工程,2010,36(8):1833-1841.

[2]譚進(jìn)國. 空間相機小型反射鏡周邊支撐結(jié)構(gòu)研究[D]. 長春:中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所),2011.

[3]崔永鵬，何欣，張凱. 采用三點定位原理的反射鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 光學(xué)儀器,2012,34(6):56-61.

[4]胡宗武，吳天行. 工程振動分析基礎(chǔ)[M]. 上海:上海交通大學(xué)出版社,2011年第3版.