李 路，邢昆明，趙 明,施 云

（1.皖西學(xué)院 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院,安徽 六安 237012；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 中國(guó)科學(xué)院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著全球人口增長(zhǎng)，人類(lèi)對(duì)自然資源不斷索取，各種惡劣天氣（干旱、暴雨、閃電、火山爆發(fā)、極寒等）出現(xiàn)頻率增多，研究者們研究證明表明與云-氣溶膠有著密切的關(guān)系。因此，獲取準(zhǔn)確的全球云-氣溶膠信息對(duì)氣候具有非常重要的意義。

較于地基、機(jī)載激光雷達(dá)，星載云-氣溶膠激光雷達(dá)具有運(yùn)行軌道高，探測(cè)范圍廣，可精確獲得全球云-氣溶膠探測(cè)數(shù)據(jù)。望遠(yuǎn)鏡主鏡作為星載激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的主要部件，其組件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是直接影響激光雷達(dá)探測(cè)性能。

本文主要以Φ400mm星載激光雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡主鏡為研究對(duì)象，從材料選擇、輕量化、結(jié)構(gòu)形式和固定方式等方面對(duì)主鏡組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其組件力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1 主鏡組件設(shè)計(jì)

1.1 主鏡超輕量化結(jié)構(gòu)

主鏡支撐方案可分為：側(cè)面支撐、中心支撐、背部支撐以及復(fù)合支撐。本文根據(jù)文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的主鏡超輕量化結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示，對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。該激光雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡主鏡材料采用SiC，重量約為4.4kg，輕量化率較實(shí)體鏡體達(dá)到80%，采用背部三點(diǎn)支撐。

圖1 主鏡超輕量化結(jié)構(gòu)圖

1.2 膠接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠接件主要作用實(shí)現(xiàn)主鏡與背板聯(lián)接的主要結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)膠接件時(shí)，首先選擇合適的材料必須與主鏡的線膨脹系數(shù)接近，來(lái)降低在熱環(huán)境下熱應(yīng)力的影響，因此本文設(shè)計(jì)的膠接件采用線膨脹系數(shù)極低的殷鋼材料，來(lái)實(shí)現(xiàn)與主鏡材料相匹配。選擇合適的膠接劑，直接關(guān)系到膠接性能，本文選擇GHJ-01（Z）型環(huán)氧膠，因?yàn)槠渚哂惺湛s率小、粘結(jié)強(qiáng)度高以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由于其固化收縮會(huì)產(chǎn)生較大的粘結(jié)應(yīng)力，所以設(shè)計(jì)膠接件時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的膠接面積，使得膠接劑在固化收縮過(guò)程中產(chǎn)生較小的粘結(jié)應(yīng)力，來(lái)提高膠層的粘結(jié)強(qiáng)度。主鏡光機(jī)組件在膠結(jié)時(shí)，其最小膠結(jié)面積計(jì)算公式如下：

上式中，W為主鏡重量；α為惡劣環(huán)境下的加速度；f為安全系數(shù)，取值范圍為2～4；J為膠結(jié)計(jì)的抗拉或抗剪強(qiáng)度。

已知主鏡質(zhì)量約為4.4 kg，膠結(jié)劑拉伸強(qiáng)度約為14 MPa，在最?lèi)毫迎h(huán)境400g加速度工況下，安全系數(shù)取4，則利用公式1計(jì)算出最小粘結(jié)面積為502.86mm。為了減小膠接應(yīng)力，對(duì)膠接件進(jìn)行開(kāi)豁口處理，通過(guò)增加粘結(jié)區(qū)域的膠接件柔度，來(lái)補(bǔ)償膠層的收縮量。本文所設(shè)計(jì)的膠接件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用六點(diǎn)均布粘結(jié)，重量約為0.29 kg。

圖2 膠接件模型圖

1.3 柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性支撐結(jié)構(gòu)是通過(guò)降低自身結(jié)構(gòu)剛度來(lái)降低主鏡在不同工況下（運(yùn)輸、發(fā)射、在軌運(yùn)行等載荷沖擊）對(duì)面型精度的影響，同時(shí)減小由溫度變化引起的熱變形。考慮實(shí)際加工技術(shù)及便于設(shè)計(jì)，選擇切口型柔性支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛運(yùn)用于空間主鏡支撐結(jié)構(gòu)中。根據(jù)柔性支撐結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)軸數(shù)目的不同，一般可分為單軸、雙軸、多軸及正交柔節(jié)4種方式，如圖3所示。

圖3 四種典型柔節(jié)圖

本文基于多軸柔性支撐結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了一種新型多軸復(fù)合柔性支撐結(jié)構(gòu)，材料為鈦合金。通過(guò)有限元技術(shù)計(jì)算，確定如圖4所示結(jié)構(gòu)，其一階自由頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于200 Hz。該結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)平臺(tái)與膠接件通過(guò)螺釘連接，支撐座與背板通過(guò)銷(xiāo)釘定位，螺釘連接的方式，通過(guò)柔性環(huán)節(jié)來(lái)減小主鏡裝配應(yīng)力。

圖4 多軸復(fù)合柔性支撐結(jié)構(gòu)圖

1.4 背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主鏡背板主要承力部件，其結(jié)構(gòu)剛度要求高于500 Hz，且要求熱膨脹系數(shù)與主鏡材料相接近，因此采用鋁基碳化硅材料，通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，獲得如圖5所示的主鏡背板結(jié)構(gòu)模型。背板總重量約為2.9 kg，通過(guò)有限元分析，其一階自然模態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于500 Hz。

圖5 主鏡背板圖

1.5 中心芯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中心芯軸起到主鏡徑向限位的作用，與主鏡采用間隙配合，通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，獲得如圖6所示的中心芯軸結(jié)構(gòu)模型，其材料采用碳基碳化硅復(fù)合材料，與主鏡背板采用2個(gè)銷(xiāo)釘精確定位，6個(gè)M5螺釘固定。

圖6 中心芯軸圖

2 主鏡組件力學(xué)特性分析

如圖7所示，為主鏡光機(jī)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主要有主鏡（4.4kg）、膠接件（0.23kg×3）、柔性支撐件（0.3kg×3）、中心芯軸（0.18kg）和背板（2.9kg）組成，總重為9.07kg。

圖7 主鏡組件爆炸圖

如圖8所示，為望遠(yuǎn)鏡主鏡組件的有限元模型，共有450 538個(gè)節(jié)點(diǎn)和238 217個(gè)網(wǎng)格單元，建立坐標(biāo)系XYZ。

圖8 主鏡組件有限元模型圖

2.1 主鏡組件靜力學(xué)分析

對(duì)主鏡組件進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得主鏡鏡面節(jié)點(diǎn)變形原始數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB軟件自行編制的程序分離剛體位移，通過(guò)Zernike多項(xiàng)式對(duì)主鏡面型進(jìn)行擬合，獲得去除剛體位移后的面型云圖如圖9～11所示，為不同方向重力載荷下主鏡面型云圖。

圖9 X向重力主鏡面形云圖

圖10 Y向重力主鏡面形云圖

圖11 Z向重力主鏡面形云圖

獲得的主鏡的面形精度及剛體位移參數(shù)如表1所示。

表1 主鏡面形仿真結(jié)果表

設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡主鏡結(jié)構(gòu)時(shí)，往往是以RMS值為指標(biāo)。主鏡組件在徑向X、徑向Y以及軸向Z方向上的RMS（含剛體位移）值分別為3.06 nm（0.004 8λ@632.8 nm）、4.94 nm（0.007 8λ@632.8 nm）以及11.3 nm（0.017 9λ@632.8 nm）；RMS（不 含 剛 體 位 移）值 分 別 為2.57 nm（0.004λ@632.8 nm）、2.55 nm（0.004λ@632.8 nm）以及11 nm（0.019λ@632.8 nm）；RMS優(yōu)于λ/40（λ@632.8 nm）?？芍鈱W(xué)元件由于不同外載荷產(chǎn)生的剛體位移對(duì)擬合面型擬合精度不同程度影響，必須去除剛體位移再進(jìn)行Zernike多項(xiàng)式擬合面型。產(chǎn)生的剛體平動(dòng)主要表現(xiàn)為重力方向的平移，在徑向上的平移最大為0.4 μm；繞X軸和Y軸的傾斜數(shù)量級(jí)很小，可忽略。

2.2 主鏡組件動(dòng)力學(xué)分析

在火箭發(fā)射階段，主鏡光機(jī)組件承受著過(guò)大運(yùn)載載荷，為了避免發(fā)射過(guò)程中出現(xiàn)塑性變形，造成失效，必須保證其具有高的動(dòng)態(tài)特性，其模態(tài)分析如圖12所示，為主鏡光機(jī)組件前四階約束模態(tài)振型圖。

圖12 主鏡組件前四階振型圖

表2列出了主鏡前四階約束模態(tài)頻率以及振型，可以得出，一階基頻為659.24 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)不低于200 Hz的設(shè)計(jì)指標(biāo)，保證主鏡組件在發(fā)射階段不發(fā)生共振，滿足運(yùn)載火箭發(fā)射要求。

表2 主鏡組件前四階模態(tài)表

3 總結(jié)

本文基于SIC的背部三點(diǎn)支撐的超輕量化主鏡結(jié)構(gòu)模型，對(duì)主鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，其中膠接件采用六點(diǎn)均布粘結(jié)，材料采用殷鋼，重為0.23 kg×3；設(shè)計(jì)一種新型多軸復(fù)合柔性支撐結(jié)構(gòu)，材料采用鈦合金，重為0.3 kg×3；主鏡背板采用鋁基碳化硅材料，重僅為2.9 kg，一階基頻遠(yuǎn)超出500 Hz的設(shè)計(jì)要求；中心芯軸采用鋁基碳化硅材料，重僅為0.18 kg。對(duì)主鏡組件進(jìn)行力學(xué)特性分析，結(jié)果表明：在徑向重力X、Y以及軸向重力Z作用下，主鏡面型RMS優(yōu)于λ/40（λ@632.8 nm）。一階基頻為659.24 Hz，遠(yuǎn)超過(guò)不低于200 Hz的設(shè)計(jì)要求，為主鏡組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

4 感謝

感謝中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室激光雷達(dá)研究室提供平臺(tái)和數(shù)據(jù)支持。