李玲 姜宏佳 劉湃 吳俊

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

我國(guó)應(yīng)用衛(wèi)星事業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)空間遙感器的要求越來(lái)越高，指向鏡(又稱擺鏡或掃描反射鏡)也越來(lái)越多應(yīng)用于空間遙感器。通過(guò)指向鏡的運(yùn)動(dòng)可以將掃擺方向的地物目標(biāo)反射到光學(xué)系統(tǒng)，擴(kuò)展空間遙感器的成像范圍，提高繪圖效率，縮短重訪時(shí)間。

指向鏡的工作條件和應(yīng)用環(huán)境具有以下特點(diǎn)。首先，在軌應(yīng)用時(shí)需要承受空間微重力載荷的作用，這就要求指向鏡的光學(xué)面型在地面重力作用下滿足一定的精度要求；其次，指向鏡置于遙感器前端，且不能進(jìn)行熱控包覆，對(duì)指向鏡組件的熱穩(wěn)定性有較高要求。此外，指向鏡在工作過(guò)程中需要往復(fù)擺動(dòng)，指向鏡組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量直接影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率選擇和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的支撐剛度設(shè)計(jì)，大口徑指向鏡需要重點(diǎn)考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。本文調(diào)研并總結(jié)國(guó)內(nèi)外空間遙感器指向鏡的支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并針對(duì)指向鏡的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀提出建議，可為空間遙感器指向鏡的研制提供參考。

1 指向鏡支撐結(jié)構(gòu)形式

指向鏡通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)與指向機(jī)構(gòu)連接，需要根據(jù)指向鏡的結(jié)構(gòu)特征、材料特性等選擇合理的支撐結(jié)構(gòu)。除鈹鏡可以自帶連接環(huán)節(jié)直接與轉(zhuǎn)軸連接[1]，一般都需要適當(dāng)?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)與軸系連接。良好的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)不引起指向鏡的變形，與外界接口簡(jiǎn)單，支撐結(jié)構(gòu)的改變不影響指向鏡的結(jié)構(gòu)。綜合國(guó)內(nèi)外的公開(kāi)文獻(xiàn)，支撐結(jié)構(gòu)形式可以按鏡體支撐位置分為背部支撐、側(cè)面支撐、周邊支撐等，不同支撐結(jié)構(gòu)形式還可按轉(zhuǎn)軸特征再分為整體貫穿軸式和分體軸式(見(jiàn)圖1)。

圖1 指向鏡支撐結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)

1.1 背部支撐

背部支撐是指鏡體與支撐結(jié)構(gòu)的連接位置位于指向鏡背面的支撐方式。按照轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)形式不同，可分為整體軸貫穿式和分體軸式。

1.1.1 背部支撐+整體軸貫穿

這種方式需要將軸通過(guò)結(jié)構(gòu)件與指向鏡背部以一定的方式(螺接、粘接等)進(jìn)行固定(如圖2所示)，鏡體上需要有貫穿孔以保證軸的安裝空間。由于指向鏡本身繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，采用整體軸貫穿鏡體并與指向鏡連接的方式可以大大減少擺動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，保證指向鏡兩端良好的共軸連接，避免兩端安裝軸分離造成同軸偏差及裝配應(yīng)力，同時(shí)軸系有較好的結(jié)構(gòu)剛度。典型應(yīng)用為風(fēng)云四號(hào)指向鏡的設(shè)計(jì)[2-3]。其指向鏡材料采用鈹金屬，鏡體尺寸520 mm×330 mm，質(zhì)量2.9 kg。指向鏡鏡面通過(guò)中心平面塊與指向鏡壓塊進(jìn)行連接(如圖3所示)，鏡體所有受力都集中在指向鏡背面中心部位，鏡軸與壓塊依靠平面進(jìn)行連接，鏡軸不與鏡體進(jìn)行接觸，其重力變形為0.082 3 μm。

鈹金屬具有良好的光學(xué)特性，且密度小，比剛度大，比熱容高，作為金屬其工藝性能良好，可以直接進(jìn)行機(jī)械加工，這是鈹指向鏡相對(duì)于其他材料指向鏡的優(yōu)勢(shì)。鈹材料已經(jīng)大量應(yīng)用于衛(wèi)星指向鏡研制，如美國(guó)“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”(GOES)，“陸地衛(wèi)星”(LANDSAT)及中國(guó)的風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星。在鈹鏡加工能力上，俄羅斯的鈹鏡技術(shù)力量雄厚[4]，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院目前也具備鈹鏡研制能力。

圖2 背部支撐原理Fig.2 Diagram of back support

圖3 風(fēng)云四號(hào)指向鏡支撐結(jié)構(gòu)

1.1.2 背部支撐+分體軸安裝

在這種安裝方式中，轉(zhuǎn)軸分為兩段，分別安裝于主支撐板兩端，主支撐板通過(guò)一定方式連接到指向鏡背部。主支撐板與指向鏡的連接與位置固定的空間反射鏡類(lèi)似，一般選擇合適的位置加工定位孔，粘接與鏡體熱膨脹系數(shù)相匹配的嵌套，并通過(guò)柔性支撐結(jié)構(gòu)以一定的組合方式連接到主支撐板。主支撐板兩側(cè)需要設(shè)置合理位置分別安裝兩側(cè)轉(zhuǎn)軸，以確保轉(zhuǎn)軸通過(guò)組件質(zhì)心。主支撐板與鏡背部連接采用柔性支撐，以補(bǔ)償鏡體和背框的熱變形不均及裝配應(yīng)力，其良好的溫度適應(yīng)性使得這種安裝方式也適用于溫度環(huán)境較為惡劣的航空遙感器[5]。另一方面，背部支撐形式增加了支撐背板，指向鏡轉(zhuǎn)動(dòng)工作時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨之增加。為減小組件質(zhì)量，背框通常采用復(fù)合材料或C/SiC等比剛度高的材料。背部支撐+分體軸安裝形式多用于尺寸較大的指向鏡，背部柔性支撐點(diǎn)數(shù)一般為3點(diǎn)或3點(diǎn)的整數(shù)倍組合，支撐點(diǎn)的合理分布能夠更好地消除重力對(duì)指向鏡面形的影響。

圖4為一個(gè)超輕指向鏡[6]，鏡體材料為C/SiC，背框材料為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。盡管指向鏡尺寸較大(820 mm×520 mm)，但整個(gè)組件設(shè)計(jì)質(zhì)量不超過(guò)6 kg。背框與鏡體背部3點(diǎn)連接，鏡框兩側(cè)留出與轉(zhuǎn)軸安裝的接口。

1.2 側(cè)面支撐

隨著SiC加工技術(shù)的逐漸成熟，SiC逐漸成為指向鏡的首選材料。指向鏡支撐也逐漸過(guò)渡到側(cè)面支撐(如圖5所示)，通常為2點(diǎn)或4點(diǎn)連接[7-8]，用于大尺寸、大長(zhǎng)寬比、面型精度要求較高、質(zhì)量小的指向鏡。由于SiC材料不容易進(jìn)行機(jī)械加工，直接在鏡體兩側(cè)粘接支撐軸時(shí)膠固化后會(huì)導(dǎo)致兩端軸同軸度降低[9]，因此，通常在指向鏡兩端安裝與SiC材料熱膨脹系數(shù)接近的殷鋼結(jié)構(gòu)件后再安裝轉(zhuǎn)軸。側(cè)面支撐方式以指向鏡的2個(gè)側(cè)面作為定位基準(zhǔn)，不但能夠減小支撐結(jié)構(gòu)的尺寸，而且能減小轉(zhuǎn)動(dòng)力矩對(duì)指向鏡面形的影響，不會(huì)直接向鏡面?zhèn)鬟f引起變形的力，其缺點(diǎn)是受重力載荷的影響較大。

圖5 側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2.1 側(cè)面支撐+整體軸貫穿

在這種支撐方式中，鏡體與支撐結(jié)構(gòu)的連接位置在鏡體側(cè)面，但安裝軸仍為整體軸。圖6為某光機(jī)掃描儀采用的側(cè)面支撐+整體軸貫穿的組合形式[10]。其鏡體材料為SiC，通光口徑為320 mm×260 mm，采用蜂窩夾心式輕量化結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)邊兩側(cè)各粘接2個(gè)殷鋼嵌套，并通過(guò)連接銷(xiāo)連接到側(cè)面支撐架上。兩側(cè)支撐架通過(guò)軸套等結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)軸連接，從而帶動(dòng)鏡體轉(zhuǎn)動(dòng)。仿真分析顯示：在Z向1gn載荷和±5 ℃的均勻溫變作用下，指向鏡的表面變形均方根誤差(RMS)優(yōu)于0.02λ，表面變形最大值與最小值之差優(yōu)于0.1λ(波長(zhǎng)λ為0.632 8 μm，下同)。這種支撐形式實(shí)質(zhì)上增加了結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，沒(méi)有充分發(fā)揮SiC材料高比剛度及側(cè)面支撐的優(yōu)勢(shì)，因此在實(shí)際應(yīng)用中更多的是采用兩側(cè)安裝分體軸的方案。

圖6 指向鏡支撐結(jié)構(gòu)示意

1.2.2 側(cè)面支撐+分體軸安裝

在這種支撐方式中，安裝軸分為兩部分，分別安裝在鏡體兩側(cè)。這樣可以避免整體軸貫穿時(shí)指向鏡厚度對(duì)軸的尺寸限制，組件質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較靈活,適用于不同材料指向鏡的支撐。其中，一種形式是鏡體兩側(cè)伸出2個(gè)耳片，用結(jié)構(gòu)件夾住/粘住。鏡子耳片起到一部分結(jié)構(gòu)功能。這種形式需要考察耳片部分的強(qiáng)度、應(yīng)力和對(duì)面型的影響。另一種形式是在鏡體對(duì)稱的兩側(cè)加工盲孔，孔內(nèi)粘接與鏡體線膨脹系數(shù)相匹配的支撐結(jié)構(gòu)，再與兩端安裝軸連接。鈹基底指向鏡的支撐結(jié)構(gòu)還可以采用螺接連接兩側(cè)零件。采用這種形式，環(huán)境溫度變化時(shí)指向鏡在軸向的熱變形受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力向鏡面?zhèn)鬟f會(huì)導(dǎo)致面型質(zhì)量的下降。為解決這一問(wèn)題，可以在軸向設(shè)置柔性結(jié)構(gòu)，利用軸向柔性結(jié)構(gòu)的變形抵消裝配應(yīng)力和溫度變化的影響，同時(shí)軸向柔性結(jié)構(gòu)在徑向保持較好的強(qiáng)度和剛度[11]。在滿足使用要求的情況下，也可以一端使用深溝球軸承，軸向可以相對(duì)移動(dòng)[12]，以補(bǔ)償指向鏡因熱變形產(chǎn)生的變化。

側(cè)面支撐+分體軸安裝的典型應(yīng)用是地球同步成像傅里葉變換光譜儀(GIFTS)指向鏡(見(jiàn)圖7)[13-14]。該項(xiàng)目由于被取消而從未進(jìn)入太空，但作為SiC材料指向鏡的初步應(yīng)用樣本，已經(jīng)完成了功能齊全的工程樣機(jī)研制。指向鏡尺寸450 mm×280 mm，質(zhì)量2.8 kg，工作環(huán)境250～310 K，面型精度優(yōu)于0.04λ，輕量化方式為背部開(kāi)口，鏡面厚度3.2 mm，加強(qiáng)筋厚2 mm，筋高最大值為63.5 mm,長(zhǎng)寬兩個(gè)方向筋高不同，地面測(cè)試狀態(tài)下短軸平行于地面。支撐方式采用兩邊支撐，鏡體兩側(cè)伸出圓柱狀結(jié)構(gòu)，采用過(guò)渡件與鏡體粘接，再與軸聯(lián)接。

圖7 SiC GIFTS 指向鏡組件Fig.7 SiC GIFTS pointing mirror assembly

1.3 周邊支撐

對(duì)于中小口徑指向鏡，常采用周邊支撐形式，最典型的是將指向鏡置于鏡框內(nèi)，鏡框外再安裝轉(zhuǎn)軸[15]。鏡座外形尺寸與質(zhì)量都較大，裝配應(yīng)力較小，適用于比較小尺寸的指向鏡[16]，且要求指向鏡工作環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)于面型要求比較高的指向鏡，也可以在鏡框安裝環(huán)節(jié)設(shè)置減少應(yīng)力的柔性環(huán)節(jié)，以減少裝配應(yīng)力和由于環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力。圖8為一種安裝框及安裝軸上的柔性環(huán)節(jié)[17]。

對(duì)于長(zhǎng)條形指向鏡，當(dāng)工作溫度變化時(shí)，即使采用鏡體與支撐結(jié)構(gòu)的材料匹配措施，熱應(yīng)力仍然較大，指向鏡面型會(huì)變得很差，因此長(zhǎng)條形指向鏡不建議采用裝框的形式。對(duì)于口徑不大的長(zhǎng)條形指向鏡，也可以采用半開(kāi)放的周邊支撐形式。某指向鏡尺寸320 mm×100 mm×20 mm，采用SiC材料，鏡片質(zhì)量為800 g，背部為長(zhǎng)方形輕量化孔，鏡體置于半開(kāi)放式鏡框上，僅長(zhǎng)邊兩側(cè)安裝定位，粘接后鏡體上方用4個(gè)壓塊限位，鏡框兩側(cè)裝軸，如圖9所示。

圖8 帶柔性環(huán)節(jié)的指向鏡安裝結(jié)構(gòu)Fig.8 Pointing mirror support structure with flexibility

圖9 半開(kāi)放式指向鏡支撐結(jié)構(gòu)Fig.9 Semi-open support structure of pointing mirror

1.4 綜合分析

上述各指向鏡支撐結(jié)構(gòu)形式總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 指向鏡支撐結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)

采用背部支撐+整體軸貫穿的形式目前較少使用，而背部支撐+分體軸安裝的形式特別適用于尺寸較大、長(zhǎng)寬比較小的高精度指向鏡，特別是在地面裝調(diào)時(shí)，重力在垂直鏡面方向上有分量的情況下，可以給鏡面提供較為均勻的支撐。周邊支撐更適合小尺寸、長(zhǎng)寬比較小的指向鏡，長(zhǎng)寬比較大時(shí)面型受溫度影響較大。側(cè)面支撐更適用于長(zhǎng)寬比較大、地面裝調(diào)時(shí)鏡面沿重力方向的指向鏡。采用分體軸連接的側(cè)面支撐形式安裝環(huán)節(jié)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有大尺寸結(jié)構(gòu)框，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，具有較好的裝配性和溫度適應(yīng)性，是目前高精度指向鏡設(shè)計(jì)的首選支撐結(jié)構(gòu)形式。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

空間遙感器對(duì)指向鏡要求正在向大尺寸、高精度、高穩(wěn)定性方向發(fā)展，支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要特別適應(yīng)指向鏡特殊的工作環(huán)境。目前，高精度面型的實(shí)現(xiàn)仍存在一定的技術(shù)難題。

2.1 存在的問(wèn)題

指向鏡通常處于光學(xué)系統(tǒng)前端入瞳的位置，在遮光罩內(nèi)，熱環(huán)境惡劣[18]，溫度變化范圍大，且調(diào)整機(jī)構(gòu)上有電機(jī)、絲杠、軸承等運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)法對(duì)其采取直接的熱控措施，只能采取間接手段滿足其溫度要求，如周邊結(jié)構(gòu)上布置加熱板。即使如此，指向鏡的工作環(huán)境溫度變動(dòng)范圍也比非轉(zhuǎn)動(dòng)的空間反射鏡高，這對(duì)指向鏡的熱穩(wěn)定性提出了很高的要求。通常，膠的熱膨脹系數(shù)較高，指向鏡采用嵌套粘接時(shí)，在環(huán)境溫度變化時(shí)粘接局部面型變化明顯。此外，SiC材料硬度高，加工周期長(zhǎng)，特別是兩側(cè)支撐時(shí)，轉(zhuǎn)軸與結(jié)構(gòu)質(zhì)心不同軸時(shí)往往需要對(duì)指向鏡進(jìn)行反復(fù)材料磨削來(lái)保證動(dòng)平衡，或在指向鏡背后增加配重，這都會(huì)增加指向鏡設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，延長(zhǎng)研制周期。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)精確熱特性設(shè)計(jì)技術(shù)。考慮在軌工作時(shí)指向鏡的真實(shí)溫度分布，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行光機(jī)熱一體化仿真分析，對(duì)粘接膠及嵌套等支撐結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格選擇，對(duì)柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型及尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到卸載熱載荷的目的，同時(shí)保證組件的總體動(dòng)態(tài)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)粘接技術(shù)。硅橡膠通常強(qiáng)度、剛度較低，膠固化時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較小，而環(huán)氧膠粘接強(qiáng)度高、剛度大，膠固化時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也會(huì)對(duì)面型造成很大的影響，通常粘接在指向鏡精磨之前進(jìn)行，粘接后可能需要進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗(yàn)或去應(yīng)力試驗(yàn)，并對(duì)兩側(cè)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合精密加工，以保證兩側(cè)安裝結(jié)構(gòu)的尺寸精度要求，最后再進(jìn)行光學(xué)精磨及鍍膜等。設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)膠的強(qiáng)度、剛度、熱膨脹系數(shù)、固化性能等綜合選擇粘接膠種類(lèi)和牌號(hào)，并對(duì)受膠影響的面型變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，固化相關(guān)實(shí)施工藝。

(3)SiC指向鏡成型方法。SiC指向鏡多采用嵌套粘接，如指向鏡設(shè)計(jì)成蜂窩夾心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)指向鏡本身剛度，避免指向鏡組件連接偏心調(diào)整的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)SiC指向鏡或者采用背部部分開(kāi)放的蜂窩夾心結(jié)構(gòu)，通過(guò)背部開(kāi)放孔進(jìn)行內(nèi)部輕量化加工，或者采用后焊接底板的方式做出封閉的蜂窩夾心結(jié)構(gòu)，但其焊接效果仍需要進(jìn)一步在軌驗(yàn)證。

3 啟示與建議

指向鏡作為空間遙感器光學(xué)系統(tǒng)首個(gè)光學(xué)件，其性能對(duì)整個(gè)遙感器成像有重要影響。隨著新型材料研制及高精度加工工藝的不斷進(jìn)步，指向鏡支撐結(jié)構(gòu)有望向高輕量化方向發(fā)展，在設(shè)計(jì)時(shí)建議從以下兩個(gè)方面考慮。

(1)新型構(gòu)型設(shè)計(jì)方案。未來(lái)指向鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以考慮突破傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)形式，采用新型構(gòu)型設(shè)計(jì)。隨著SiC材料成型技術(shù)的發(fā)展，可以考慮采用全SiC結(jié)構(gòu)，即指向鏡、支撐結(jié)構(gòu)件及連接螺釘均采用SiC材料，或?qū)χ赶蜱R及結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接。對(duì)于輕小型指向鏡，可以考慮采用3D打印SiC材料實(shí)現(xiàn)指向鏡及兩側(cè)支撐軸一體成型，減少安裝環(huán)節(jié)，保證結(jié)構(gòu)的整體性。另外，結(jié)構(gòu)件和指向鏡采用相同材料，連接處不會(huì)產(chǎn)生熱變形。對(duì)于面型精度要求非常高的指向鏡，僅靠指向鏡支撐結(jié)構(gòu)難以保證重力下的面型，這時(shí)可以考慮適當(dāng)降低指向鏡質(zhì)量和剛度，同時(shí)增加一定的背部支撐，保證地面裝調(diào)時(shí)鏡面的面型精度。背部支撐結(jié)構(gòu)在發(fā)射段有一定的抗力學(xué)功能，在軌后進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)指向鏡的正常轉(zhuǎn)動(dòng)成像。

(2)組件設(shè)計(jì)模塊化。類(lèi)似于指向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)、軸承等成熟部組件直接進(jìn)行選型，指向鏡設(shè)計(jì)時(shí)也可以對(duì)指向鏡輕量化形式、柔性結(jié)構(gòu)、嵌套形式等進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)于各部組件規(guī)格及適用范圍形成型譜，針對(duì)不同設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組合，在常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)直接選用，可以大幅度減少設(shè)計(jì)時(shí)間，降低成本，提高遙感器整體的設(shè)計(jì)效率。