王彩琴，徐彭梅

(北京空間機電研究所，北京 100190)

【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

某空間光譜儀高穩(wěn)定性光機結(jié)構(gòu)設(shè)計

王彩琴，徐彭梅

(北京空間機電研究所，北京 100190)

針對某空間傅里葉變換光譜儀部組件數(shù)量多、資源緊張、高穩(wěn)定性需求等難題，提出了雙層集成式結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案，解決了光譜儀空間布局尺寸超出要求和主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問題。介紹了空間傅里葉變換光譜儀工作原理、光學(xué)組成、光機主體結(jié)構(gòu)設(shè)計難點和解決方案、雙層集成式結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和優(yōu)點、以及對整機力學(xué)穩(wěn)定性至關(guān)重要的組件——碳纖維鋁蜂窩復(fù)合材料板的詳細設(shè)計方法。建立了碳纖維鋁蜂窩復(fù)合材料板和光譜儀的有限元模型，通過計算驗證了星載傅里葉變換光譜儀雙層集成結(jié)構(gòu)的可靠性。對比光譜儀的正弦試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果，證明設(shè)計和分析的正確性。

光譜儀；光機結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；設(shè)計；分析

近年來，隨著科技的發(fā)展，對空間光學(xué)遙感器性能要求越來越高，其功能也逐步多樣化，使得空間載荷質(zhì)量增加、體積增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化[1]。傳統(tǒng)的空間光學(xué)遙感器主體結(jié)構(gòu)支撐形式一般為單層平板安裝于星體艙板，所有光機組件、電子學(xué)設(shè)備和其余輔助設(shè)備安裝于此平板上[2]。由于光機組件多呈不規(guī)則形狀布局，載荷的電子學(xué)設(shè)備眾多、外形各異，導(dǎo)致載荷外形尺寸較大，占據(jù)了衛(wèi)星載荷艙段空間。若載荷橫向尺寸增大，衛(wèi)星攜帶載荷數(shù)量減少，功能受限。衛(wèi)星為了減小重量，攜帶更多遙感器，對載荷小型化和輕量化的需求日益迫切。

1 空間光譜儀工作原理及布局

1.1 光譜儀工作原理

空間光譜儀從原理上可分為色散型和干涉型光譜儀兩類。干涉型傅里葉變換光譜儀是20世紀90年代發(fā)展起來的一門新技術(shù)[3]，它利用干涉圖和光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系，通過測量干涉圖和對干涉圖進行傅里葉積分變換來測定和研究光譜?；诟缮嫘偷母道锶~變換光譜探測技術(shù)具有探測通量大、光譜波段多、光譜分辨率高等諸多優(yōu)點，逐漸成為國內(nèi)外光譜探測技術(shù)發(fā)展的熱點[5-7]。

某空間傅里葉變換光譜儀的探測目標是對流層頂以上中高層大氣中，對氣候現(xiàn)象有顯著影響的微量和痕量氣體，它是通過太陽掩星的探測方式，對大氣進行高光譜分辨率、高信噪比和寬波段范圍的精細光譜探測，獲取不同高度大氣的成分和濃度分布，為氣候變化和大氣環(huán)境監(jiān)測提供科學(xué)研究[8-10]。

光譜儀首先完成對日定向，測量大氣層外、沒有大氣吸收太陽光譜輻射亮度，如圖1中的光線1。當衛(wèi)星運行到一定的位置時，在日出和日落時，如圖1中的光線2～4所示，光譜儀探測到了經(jīng)過大氣吸收的太陽光譜數(shù)據(jù)，通過二者的差分比較，得出大氣中的化學(xué)成分的吸收光譜。

圖1 傅里葉變換光譜儀工作原理

1.2 星載傅里葉變換光譜儀光學(xué)組成

光譜儀的光路示意圖見圖2，光學(xué)系統(tǒng)由干涉儀光學(xué)子系統(tǒng)、輸入光學(xué)子系統(tǒng)和輸出光學(xué)子系統(tǒng)三部分組成，其中干涉儀光學(xué)子系統(tǒng)由分束器/補償器、兩個角鏡和端鏡組成，輸入光學(xué)子系統(tǒng)由望遠鏡主次鏡及孔徑光闌、視場光闌組成。經(jīng)大氣吸收的太陽光由跟蹤指向鏡引入光譜儀的主鏡。太陽跟蹤機構(gòu)驅(qū)動跟蹤指向鏡，分為內(nèi)外兩個轉(zhuǎn)動軸，其功能為在光譜儀觀測期間，對太陽進行精確穩(wěn)定的跟蹤。紅外信號光依次經(jīng)過主鏡和次鏡后入射到干涉儀光學(xué)子系統(tǒng)中。進入干涉儀后，紅外信號光被分束器分成一路透射光和一路反射光分別進入干涉儀的兩臂。這兩路紅外信號光經(jīng)過角鏡和端鏡反射后分別回到分束器處合束干涉，干涉調(diào)制后的信號透過端鏡中心的開孔由輸出光學(xué)子系統(tǒng)傳遞給紅外探測器制冷機組件，并被轉(zhuǎn)換為干涉圖信號。干涉圖信號和其余輔助數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星數(shù)傳至地面數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過光譜復(fù)原處理產(chǎn)生大氣吸收光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品，再經(jīng)大氣反演得到大氣的成分與濃度信息[4]。

圖2 傅里葉變換光譜儀的光路示意圖

光譜儀的初始光學(xué)布局如圖3(a)所示，由跟蹤指向鏡、跟蹤光學(xué)系統(tǒng)、輸入光學(xué)系統(tǒng)、干涉光學(xué)系統(tǒng)、輸出光學(xué)系統(tǒng)和探測器制冷機組件四部分組成。若所有光機結(jié)構(gòu)均按照單層底板支撐結(jié)構(gòu)形式進行布局，則該傅里葉變換光譜儀外形尺寸將會超過1 100 mm×1 000 mm×400 mm，水平尺寸超出衛(wèi)星要求。

1.3 光譜儀主體結(jié)構(gòu)設(shè)計難點和解決方案

傅里葉變換光譜儀光機主體結(jié)構(gòu)設(shè)計難點包括：光機主體內(nèi)部包含28個部組件(包含光學(xué)組件和電子學(xué)設(shè)備)；因星載傅里葉變換光譜儀性能指標要求高、光學(xué)部組件數(shù)量眾多[5-7]、布局較分散、資源緊張，若采用傳統(tǒng)的單層平板支撐結(jié)構(gòu)形式，水平方向外形尺寸過大，不滿足設(shè)計要求；光學(xué)布局的分散性也不適合采用筒形光機結(jié)構(gòu)形式，因此設(shè)計了雙層集成結(jié)構(gòu)形式,這種結(jié)構(gòu)形式充分利用了空間遙感載荷在高度方向上的剩余空間，減小了遙感載荷在衛(wèi)星上的安裝空間。

綜合考慮光譜儀原光學(xué)布局、衛(wèi)星尺寸要求以及光譜儀內(nèi)各組件結(jié)構(gòu)布局，在輸入光學(xué)系統(tǒng)和干涉光學(xué)系統(tǒng)中間增加一對折鏡，使光譜儀結(jié)構(gòu)變成上下兩層布局，光譜儀外形尺寸減小為767 mm×675 mm×600 mm，滿足設(shè)計要求。光譜儀采用上下兩層布局形式，見圖3(b)所示，上層組件包括太陽跟蹤模塊(包括跟蹤機構(gòu)、跟蹤控制器和太陽跟蹤相機)、輸入光學(xué)組件(包括主鏡、孔徑光闌、視場光闌、次鏡、第一折鏡、第二折鏡及其支撐結(jié)構(gòu))等；下層組件包括干涉儀模塊(包括干涉儀組件和其信號處理器)、輸出光學(xué)組件(包括輸出折鏡、輸出拋物鏡和其支撐結(jié)構(gòu))、探測器制冷機組件、信號處理電路，中間一塊碳纖維鋁蜂窩復(fù)材面板支撐上下兩層組件，最后通過主體基座鈦合金框與衛(wèi)星載荷艙面板連接。

圖3 光譜儀原光學(xué)系統(tǒng)布局

增加的折鏡會造成光路傳輸中能量降低，因兩面折鏡的反射率都為0.99，所以增加兩片折鏡后的總能量會降低到原光學(xué)系統(tǒng)能量的0.980 1，因光譜儀在信噪比指標方面有足夠的設(shè)計裕度，因此增加折鏡后的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)仍能滿足指標要求。

2 碳纖維鋁蜂窩復(fù)材面板的設(shè)計

傳統(tǒng)的碳纖維鋁蜂窩復(fù)材板只單面負載，而光譜儀復(fù)材板上下兩層都有負載，且板中間不能有任何支撐，就要求其具有較高的剛度。

考慮到蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有高剛度、高強度、低重量、低膨脹以及良好的成型工藝性能等優(yōu)點[8]，復(fù)材板采用碳纖維復(fù)合材料面板-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式。碳纖維板厚度為2mm，蜂窩夾層厚度36mm，為提高整板結(jié)構(gòu)剛度和局部連接點連接強度，內(nèi)嵌整體幾字型加強框架。各組件安裝點由金屬預(yù)埋件提供，與面板、鋁蜂窩、加強框架膠接成整體結(jié)構(gòu)。

復(fù)材板要求具有較高的剛度、強度等力學(xué)性能，高模量的碳纖維要求滿足在最小質(zhì)量下，結(jié)構(gòu)剛度盡量高[9-11]。常用的高模量碳纖維列于表1。從表1可以看出，M55J高模量碳纖維具有較高的模量、強度和熱導(dǎo)率以及較低的熱膨脹系數(shù)[12]，因此，綜合考慮碳纖維的力學(xué)性能和熱物理性能等因素，復(fù)合材料所用碳纖維選用M55J高模量碳纖維。

表1 常用高模量碳纖維與性能參數(shù)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對尺寸穩(wěn)定性要求較高，對于樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不僅有溫度引起的熱尺寸穩(wěn)定性，更為關(guān)注的是吸濕引起的尺寸穩(wěn)定性，復(fù)合材料的這些特性均由樹脂基體本身決定。氰酸酯樹酯是含兩個以上氰酸酯官能團(-OCN )的新型高性能熱固性樹脂，其結(jié)構(gòu)特點賦予其優(yōu)良的電絕緣性能，極低的吸濕率，較高的耐熱性，優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，良好的力學(xué)性能以及成型工藝性等。綜合其上述性能，碳纖維鋁蜂窩復(fù)材面板選擇氰酸酯樹脂作為樹脂基體。

為了提高碳纖維鋁蜂窩復(fù)材板的剛度和強度，在上下層纖維板之間鋪設(shè)加強框架，加強框架為整體結(jié)構(gòu)形式，截面為幾字型，位置根據(jù)安裝預(yù)埋件位置進行適當調(diào)整。

3 仿真分析

3.1 碳纖維鋁蜂窩復(fù)材板的靜剛度分析

采用MSC/Patran軟件建立復(fù)材板有限元模型，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用3節(jié)點復(fù)合材料板殼單元模擬，光譜儀各組件用集中質(zhì)量點模擬，其有限元模型見圖4。

圖4 碳纖維鋁蜂窩復(fù)材板有限元模型

碳纖維鋁蜂窩復(fù)材板的靜剛度本質(zhì)是保證各光機組件的光軸在重力作用條件下和在軌溫度變化范圍內(nèi)的穩(wěn)定性[13]。即所有組件安裝在復(fù)材板上后，在1g重力作用下和(20±3)℃溫度變化范圍內(nèi)光機組件的位移在光學(xué)系統(tǒng)公差范圍內(nèi)約束復(fù)材板安裝孔，計算光機組件在復(fù)材板上的位移值。各光機組件的變形量見表2所示，所有變形以輸入主鏡組件為基準，從表中可以看出，光譜儀各光機組件的位移值皆滿足設(shè)計要求。

表2 各光機組件靜力位移

3.2 光譜儀模態(tài)分析

建立光譜儀整機有限元模型，并對其進行模態(tài)分析，計算結(jié)果為整機一階基頻為94.4 Hz，其一階陣型見圖5。衛(wèi)星對光譜儀的一階基頻要求為≥78 Hz，設(shè)計和分析結(jié)果滿足整星要求。

4 試驗結(jié)果

為了檢驗光譜儀整機結(jié)構(gòu)的頻率特性，對光譜儀光機主體進行正弦振動環(huán)境試驗，結(jié)果見圖6。固定光機主體與衛(wèi)星的安裝接口，將光譜儀通過振動工裝安裝在振動臺上，輸入的振動量級為0.2 g(頻率范圍為5～600 Hz)，得到光譜儀光機主體一階基頻為98.8 Hz，與模態(tài)分析結(jié)果非常接近，證明了有限元分析的正確性。

圖5 光譜儀整機一階陣型

圖6 光譜儀正弦振動試驗結(jié)果

5 結(jié)論

采用雙層集成結(jié)構(gòu)形式解決了原空間傅里葉變換光譜儀光機組件數(shù)量眾多、布局復(fù)雜、外形設(shè)計尺寸超差等難題，該方法縮小了光譜儀尺寸，提高了光譜儀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。是一種新型的空間遙感器主體結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。

傅里葉變換光譜儀碳纖維鋁蜂窩復(fù)材板和整機的有限元分析結(jié)果、振動試驗曲線都驗證了碳纖維鋁蜂窩復(fù)材面板滿足機載傅里葉變換光譜儀的使用要求、光譜儀光機主體結(jié)構(gòu)具有高穩(wěn)定性。雙層集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和可靠性得到驗證。同時，這種設(shè)計方法也可用于更多的星載遙感儀器的結(jié)構(gòu)布局。

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(責任編輯 楊繼森)

High Opto-Mechanical Stability Design of Space Spectrometer

WANG Cai-qin, XU Peng-mei

(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100190, China)

A kind of double layer integration structure is introduced into space Fourier transforms spectrometer,for the problem of large numbers of components, limited size and high opto-mechanical stability needs.The size is diminished and meets the requirement by using of this supporting structure.At the same time,the optical structure has high opto-mechanical stability.Firstly,the work principle,optical layout,structural design difficulties and solution of space Fourier transform spectrometer were introduced,the design method and advantage of double layer integration structural format are elaborated in this paper.As the most critical assembly of spectrometer,the carbon fiber aluminum honeycomb composite panel takes great effect to the mechanical stability of spectrometer.The detailed design of carbon fiber aluminum honeycomb composite panel is illustrated in this paper.The finite element model of carbon fiber aluminum honeycomb composite panel and whole spectrometer are built,guarantee the mechanical stability of spectrometer.Reliability of double-layer integration supporting structure of space-borne Fourier transform spectrometer has been validated.Finally,correctness of design and analysis has been corroborated by the comparison of sinusoidal test and the analysis result.

spectrometer; optical structure; high stability; design; analysis

2016-12-20；

2017-01-23 作者簡介：王彩琴(1980—)，女，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

10.11809/scbgxb2017.05.034

format:WANG Cai-qin, XU Peng-mei.High Opto-Mechanical Stability Design of Space Spectrometer[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):147-150.

V414.4

A

2096-2304(2017)05-0147-04

本文引用格式：王彩琴，徐彭梅.某空間光譜儀高穩(wěn)定性光機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(5):147-150.