史姣紅，羅世魁，唐 璐，羅廷云

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100190）

0 引言

在三反同軸光學(xué)系統(tǒng)中，主反射鏡是光路中的第一反射鏡，為全口徑使用的光學(xué)件，其面形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度對(duì)相機(jī)鏡頭成像指標(biāo)來說很重要。而主反射鏡組件作為遙感相機(jī)中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)性能直接影響主反射鏡的裝調(diào)、在軌面形及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度。

在光學(xué)遙感領(lǐng)域，一般口徑超過500mm的反射鏡即被定義為大口徑反射鏡[1]。隨著主反射鏡口徑的增大，地面檢測(cè)、裝調(diào)、發(fā)射段和在軌等階段間的力學(xué)?熱學(xué)環(huán)境差異對(duì)主反射鏡組件的影響不容忽視。這個(gè)影響一般需要考慮和滿足：1）在地面檢測(cè)、裝調(diào)過程中，重力對(duì)鏡子面形和位置精度的影響；2）地面裝調(diào)過程中，溫控與在軌狀態(tài)有差異，溫度變化對(duì)鏡子面形精度的影響[2]；3）經(jīng)過發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境后組件不能發(fā)生破壞，并且鏡子面形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3]；4）在軌經(jīng)過放氣后，組件面形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

基于以上要求，本文對(duì)φ650mm主反射鏡組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以Patran有限元軟件為工具，分析主反射鏡組件在地面裝調(diào)、發(fā)射段和在軌環(huán)境下的力、熱學(xué)特性，并通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證組件的力?熱性能及穩(wěn)定性是否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 組件設(shè)計(jì)要求

本文以某三反同軸光學(xué)系統(tǒng)型號(hào)的主反射鏡設(shè)計(jì)為背景，根據(jù)相機(jī)光學(xué)指標(biāo)分解，主反射鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 主反射鏡設(shè)計(jì)指標(biāo)要求Table 1 Requirements of the primary mirror

2 組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主反射鏡設(shè)計(jì)

目前用于反射鏡的材料有鈹、多晶硅、ULE玻璃、微晶玻璃、石英、SiC等?？紤]到鏡子的口徑，材料的熱特性、比剛度及成本，SiC在各方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。

反射鏡的輕量化形式主要有三角形、四邊形、六邊形、圓形等。對(duì)于基體背部采用開放結(jié)構(gòu)的反射鏡，在輕量化尺寸相同的前提下，三角形輕量化形式的鏡子比四邊形和六邊形輕量化的鏡子略重，但是面形精度比較好[2,5-15]，因此主反射鏡采用三角形輕量化的形式。

反射鏡背面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見（圖1），背部側(cè)面布置有切向注膠齒，反射鏡直徑50mm，總高度90mm，邊緣厚度 9.9mm，輕量化系數(shù) 70%，質(zhì)量 18.7 kg。反射鏡設(shè)計(jì)有軸向裝夾孔，4個(gè)孔1組，圓周方向3處均布。

圖1 主反射鏡背面Fig.1 The back structure of the primary mirror

2.2 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主反射鏡設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含壓塊、托框、卸載環(huán)。托框是加工有60個(gè)注膠齒的圓形空腔結(jié)構(gòu)，與鏡子（圖1）逐齒咬合裝配。卸載環(huán)在厚度方向上設(shè)計(jì)有卸載縫隙，以弱化和阻斷外部強(qiáng)迫位移的傳遞路徑。結(jié)構(gòu)裝配時(shí)，托框與卸載環(huán)組合成一體，然后主反射鏡、托框和卸載環(huán)組合體、壓塊裝配，在主反射鏡與托框和壓塊中間注膠。膠斑在主反射鏡側(cè)齒與托框側(cè)齒中間生成，使鏡子與支撐結(jié)構(gòu)粘接固定。其中主反射鏡組件中的托框、卸載環(huán)和壓塊均采用傳統(tǒng)的鈦合金材料，鏡子與托框之間的膠接材料為一種硫化橡膠。

圖2 主反射鏡組件Fig.2 The primary mirror assembly

本文的主反射鏡口徑大于500mm，鏡子與支撐結(jié)構(gòu)材料之間的熱失調(diào)不可忽略。在主鏡組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，鏡子支撐結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的裝框式結(jié)構(gòu)，使膠斑切向受力，從而有效解決了反射鏡材料和鏡子支撐結(jié)構(gòu)材料之間的熱失調(diào)問題[16]。

3 組件結(jié)構(gòu)仿真

主反射鏡組件有限元模型采用笛卡兒坐標(biāo)系，單位體系：長度（mm），質(zhì)量（t），彈性模量或應(yīng)力（MPa），力（N），頻率（Hz）。仿真計(jì)算中模型所用材料參數(shù)見表2。模型建立采用四面體單元。

表2 主反射鏡組件結(jié)構(gòu)仿真所用材料性能參數(shù)Table 2 The properties of materials used for simulation of the primary mirror assembly

3.1 重力對(duì)鏡子面形和位置變化的影響

光學(xué)鏡頭裝調(diào)采用光軸水平的方式，主反射鏡為裝調(diào)基準(zhǔn)。主反射鏡的裝調(diào)方位如圖3(a)所示。對(duì)此狀態(tài)的反射鏡進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖3(b)。由計(jì)算結(jié)果可知，在主反射鏡組件使用方向即y向1g重力影響下，鏡子面形PV變化為2.30 nm，RMS變化為 0.42 nm，鏡面頂點(diǎn)位移不超過 0.8 μm，光軸傾角變化不大于0.01″，滿足光學(xué)裝調(diào)公差。鏡子平移不超過3 μm，光軸傾斜不大于3″，滿足表1設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 組件地面裝調(diào)方向仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of mirror assembly in assembling process

3.2 組件溫度對(duì)鏡子面形變化的影響

一般情況下，相機(jī)裝調(diào)時(shí)的環(huán)境溫度為20 ℃左右。本文中的主反射鏡溫控設(shè)計(jì)指標(biāo)為(20±2)℃，在地面裝調(diào)時(shí)的環(huán)境溫度與在軌控制溫度最大差異為4 ℃。計(jì)算主反射鏡組件在溫度變化4 ℃時(shí)，反射鏡面形PV、RMS的變化值。為了盡量模擬組件自由狀態(tài)下溫度變化對(duì)鏡子面形的影響，將組件的固定約束只加載在組件1個(gè)節(jié)點(diǎn)上。計(jì)算結(jié)果如圖4所示，鏡子面形PV變化為3.02 nm，RMS變化為0.56 nm，滿足表1所示設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在相機(jī)溫控指標(biāo)范圍內(nèi)，此量級(jí)的面形變化不會(huì)影響鏡頭的成像質(zhì)量。

圖4 溫度變化 4 ℃ 鏡子仿真位移結(jié)果Fig.4 Simulated displacement of mirror assembly with temperature variation of 4 ℃

3.3 組件動(dòng)力學(xué)計(jì)算

在遙感相機(jī)中，主反射組件使用60個(gè)螺釘固定于相機(jī)主結(jié)構(gòu)中，因此在對(duì)組件進(jìn)行頻率特性仿真時(shí)，于組件安裝面施加60個(gè)固支約束，用于模擬組件的螺釘連接。仿真結(jié)果顯示：組件的一、二、三階模態(tài)頻率接近，分別為 164.3、169.5、174.6 Hz，模態(tài)均為反射鏡繞直徑軸擺動(dòng)（見圖5），四、五階模態(tài)頻率接近，均為328.9 Hz，模態(tài)均為鏡子平動(dòng)（見圖4）。從組件的仿真結(jié)果看，組件的設(shè)計(jì)基頻大于120 Hz，滿足剛度要求。

圖5 主反射鏡組件前五階模態(tài)仿真Fig.5 The first five modes of primary mirror assembly

4 組件地面環(huán)境試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

遙感相機(jī)在衛(wèi)星主動(dòng)發(fā)射段會(huì)經(jīng)歷相應(yīng)的振動(dòng)環(huán)境，且相機(jī)在軌運(yùn)行時(shí)處于高真空環(huán)境中，因此為保障主鏡組件在后期整機(jī)振動(dòng)及在軌時(shí)的穩(wěn)定性，需對(duì)組件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)及真空放氣試驗(yàn)[6]。

4.1 組件振動(dòng)試驗(yàn)

主反射鏡組件通過振動(dòng)工裝與振動(dòng)臺(tái)連接組件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。圖6所示為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖6 主反射鏡組件振動(dòng)試驗(yàn)Fig.6 Vibration test of the primary mirror

振動(dòng)試驗(yàn)的條件來源于整機(jī)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)時(shí)主反射鏡組件所在安裝面的響應(yīng)條件。振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，組件進(jìn)行0.5g掃頻、隨機(jī)、0.5g掃頻試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證組件基頻為158.0 Hz，與計(jì)算仿真結(jié)果基本對(duì)應(yīng)。組件振動(dòng)前后，以主反射鏡建立測(cè)量基準(zhǔn)，評(píng)估組件安裝接口的空間位置變化，結(jié)果為安裝接口面法線角度變化不超過3″，鏡面頂點(diǎn)平移量不超過3 μm，滿足主反射鏡組件振動(dòng)試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

4.2 主反射鏡組件真空放氣試驗(yàn)

主鏡組件真空放氣試驗(yàn)條件為溫度40 ℃、真空度優(yōu)于 10-4Pa，時(shí)間為 48 h。在進(jìn)行放氣試驗(yàn)前將真空試驗(yàn)設(shè)備清潔并烘烤，保證環(huán)境潔凈度。組件放氣前后，采用與振動(dòng)試驗(yàn)前后相同的檢測(cè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)后測(cè)量結(jié)果為：安裝接口面法線角度變化不超過3″，鏡面頂點(diǎn)平移量不超過3 μm，滿足主反射鏡組件真空放氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

4.3 小結(jié)

由以上的環(huán)境試驗(yàn)可見，主反射鏡組件的結(jié)構(gòu)具有很高的穩(wěn)定性，再次經(jīng)歷力學(xué)振動(dòng)（整機(jī)驗(yàn)收、衛(wèi)星發(fā)射主動(dòng)段）及在軌放氣后，組件結(jié)構(gòu)關(guān)系變化滿足要求，即組件結(jié)構(gòu)滿足要求的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文對(duì)某型號(hào)主反射鏡組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選取進(jìn)行了介紹，組件設(shè)計(jì)總質(zhì)量為22 kg，組件中鏡子與托框采用側(cè)齒咬合在齒間注膠的支撐方式，在托框下設(shè)計(jì)有卸載環(huán)結(jié)構(gòu)，用于卸載外界的強(qiáng)迫位移。仿真計(jì)算表明，組件在y向1g重力和4 ℃溫度變化情況下面形RMS值變化分別為0.42 nm和0.56 nm，組件在裝調(diào)方向下由重力引起的鏡面頂點(diǎn)位移不超過0.8 μm，光軸傾角變化不大于0.01″，組件基頻為 164.3 Hz。經(jīng)過振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，組件真實(shí)基頻為158.0 Hz，與仿真結(jié)果基本對(duì)應(yīng)；組件在振動(dòng)和真空放氣試驗(yàn)后的安裝接口面法線角度變化均不超過3″，鏡面頂點(diǎn)平移量不超過3 μm，具有高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。綜上，所設(shè)計(jì)的主反射鏡組件性能全部滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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