孫劍，馮玉濤，暢晨光，王煒，李娟，胡炳樑

（1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

星載被動(dòng)大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備，由于不受氣候變化和地理位置限制，可以實(shí)現(xiàn)全球尺度的中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)［1-4］?；诙嗥绽詹罘指缮鏈y(cè)風(fēng)技術(shù)（Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne，DASH），星載近紅外差分干涉測(cè)風(fēng)載荷以氧分子867 nm 為目標(biāo)探測(cè)源，可實(shí)現(xiàn)60～85 km 高度中層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)［5］。作為星載差分干涉測(cè)風(fēng)載荷的核心元件，由于5 m/s 測(cè)風(fēng)精度對(duì)應(yīng)的多普勒頻移約為10-5nm，多普勒差分干涉儀（簡(jiǎn)稱(chēng)差分干涉儀）的穩(wěn)定性直接影響測(cè)風(fēng)載荷風(fēng)速測(cè)量精度，因此差分干涉儀的高力熱穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)已然成為多普勒差分技術(shù)的關(guān)鍵核心問(wèn)題。

針對(duì)差分干涉儀穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員開(kāi)展了大量的研究，ENGLERT C R 設(shè)計(jì)了一種彈性支柱與間隔元件結(jié)合的柔性結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低溫環(huán)境下分體式長(zhǎng)波紅外差分干涉儀的無(wú)應(yīng)力支撐［6］。BABCOCK D D 設(shè)計(jì)了一種半運(yùn)動(dòng)學(xué)夾持結(jié)構(gòu)，通過(guò)三個(gè)支柱連接上下壓板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了共光路DASH 干涉儀結(jié)構(gòu)固定，并通過(guò)被動(dòng)和主動(dòng)溫控方法提高了差分干涉儀溫度穩(wěn)定性［7］。暢晨光、傅頔等分別從材料補(bǔ)償和相位穩(wěn)定性影響因素對(duì)差分干涉儀溫度穩(wěn)定性進(jìn)行研究［8-9］。這些研究?jī)H限于差分干涉儀的溫度穩(wěn)定性，并未研究力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。針對(duì)差分干涉儀的星載環(huán)境力學(xué)穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)研究，白玉龍等設(shè)計(jì)了一種高穩(wěn)定性低熱傳導(dǎo)微應(yīng)力非共光路可見(jiàn)光差分干涉儀固定支撐結(jié)構(gòu)［10］，該方法通過(guò)提高基頻（基頻為1 947.15 Hz）的方法實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光差分干涉儀的高力學(xué)穩(wěn)定性固定。由于目標(biāo)譜線不同，差分干涉儀光譜分辨率不同。若差分干涉儀光譜分辨率提高，差分干涉儀尺寸會(huì)隨著增大，實(shí)現(xiàn)差分干涉儀穩(wěn)定性固定的最有效的辦法是增加膠粘面積，降低粘接面剪切應(yīng)力。以某星載的近紅外實(shí)體差分干涉儀為例，相比可見(jiàn)光差分干涉儀，差分干涉儀光學(xué)件質(zhì)量增加了4 倍，采用現(xiàn)有的方法固定安裝，盡管增加了光機(jī)膠粘面積，但是由于近紅外差分干涉儀組件800 Hz 基頻偏低，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)（3.635 Grms）過(guò)程中仍然出現(xiàn)了光學(xué)件與結(jié)構(gòu)件開(kāi)膠的現(xiàn)象。同樣增大光機(jī)膠粘面積，也會(huì)提高光學(xué)件與結(jié)構(gòu)件的傳熱系數(shù)，不利于差分干涉儀的溫度穩(wěn)定性設(shè)計(jì)［11］。

本文以某星載測(cè)風(fēng)載荷非共光路近紅外差分干涉儀穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，提出一種可以固定支撐不同尺寸差分干涉儀的方法，從力學(xué)穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性兩個(gè)因素考慮，優(yōu)化光學(xué)材料熱補(bǔ)償，建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)彈性系數(shù)，調(diào)整組件基頻，提高組件的力熱穩(wěn)定性。有限元分析和環(huán)境試驗(yàn)表征，計(jì)算結(jié)果與有限元分析及試驗(yàn)結(jié)果一致，試驗(yàn)前后干涉條紋頻率未發(fā)生變化，且結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力帶來(lái)的干涉圖畸變可忽略，滿足星載環(huán)境條件。該方法也可適用于不同尺寸的棱鏡式干涉儀的穩(wěn)定性支撐。

1 差分干涉儀技術(shù)原理

多普勒差分干涉儀是在對(duì)稱(chēng)式空間外差干涉儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種非對(duì)稱(chēng)式差分干涉儀，通過(guò)引入一個(gè)大的非對(duì)稱(chēng)量，實(shí)現(xiàn)高的相位靈敏度，從而可以探測(cè)到目標(biāo)譜線的多普勒頻移反演出目標(biāo)視線風(fēng)速。圖1 為多普勒差分干涉技術(shù)原理示意圖。分光棱鏡將入射光線分成兩束光線，通過(guò)視場(chǎng)展寬棱鏡在閃耀光柵處發(fā)生衍射，由于兩路光路存在一個(gè)固定的非對(duì)稱(chēng)量2Δd，因此兩束光線在出口處存在兩個(gè)交叉夾角2γ的出射波前，從而在探測(cè)器前形成Frizeau 條紋［12］。

圖1 多普勒差分干涉技術(shù)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the DASH interferometer technique

當(dāng)入射譜線由于風(fēng)速ν 引入Doppler 頻移，則干涉圖相位φ(x)為［13］

式中，Δσ為光譜分辨率，σL為L(zhǎng)ittrow 波數(shù)，θL為L(zhǎng)ittrow 角，σ0為光束中心波數(shù)，x為探測(cè)器上位置坐標(biāo)（x=0即為探測(cè)器中心）。

由式（1）可以看出，其相位由兩部分組成，其中一部分與零風(fēng)速波數(shù)σ0相關(guān)的部分，另一部分與中心波數(shù)變化量Δσ相關(guān)，則式（1）可寫(xiě)為

式中，φ0(x)=2π[4(σ0-σL)tanθLx+2σ0×Δd]為基準(zhǔn)相位；Δφ(x)=2π[4 tanθLx+2Δd]Δσ為風(fēng)速引起的相位變化量。

通過(guò)相位反演去除基準(zhǔn)相位，獲得多普勒相位變化量Δφ，視線風(fēng)速υ可由式（2）得出［14］

式中，c=3×108m/s 為光在真空中的速度。

由式（3）可以得出，非對(duì)稱(chēng)量Δd越大，相同的視線風(fēng)速引起的相位靈敏度越高，風(fēng)速測(cè)量精度越高。但非對(duì)稱(chēng)量越大會(huì)導(dǎo)致差分干涉儀的外形尺寸也越大。

同樣，由相位變化量Δφ(x)可以看出，光譜分辨率?σ與相位變化量成正比。光譜分辨率提高也可以提高相位變化量，從而提高風(fēng)速測(cè)量精度。多普勒差分干涉儀光譜分辨率由式（4）確定

式中，W為光柵尺寸。

由式（4）可知，光譜分辨率提高會(huì)增大光柵尺寸，這樣同樣帶來(lái)干涉儀主截面尺寸的增大。比如可見(jiàn)光（557 nm）差分干涉儀光譜分辨率設(shè)計(jì)值為1 cm-1，近紅外（867 nm）差分干涉儀光譜分辨率設(shè)計(jì)值則為0.32 cm-1，因此相比于可見(jiàn)光差分干涉儀（91.5 mm×85.5 mm×40 mm），近紅外差分干涉儀的尺寸達(dá)到110.5 mm×101.5 mm×50 mm。

2 差分干涉儀穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)研究

2.1 穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)研究思路

差分干涉儀總體結(jié)構(gòu)采用“三明治”形式的固定支撐結(jié)構(gòu)，底座、蓋板和支柱組成差分干涉儀的結(jié)構(gòu)框體，為差分干涉儀提供支撐結(jié)構(gòu)，柔性結(jié)構(gòu)（上）、柔性結(jié)構(gòu)（下）與干涉儀光學(xué)件通過(guò)環(huán)氧膠粘接組成負(fù)載，柔性結(jié)構(gòu)（上）與柔性結(jié)構(gòu)（下）為彈性件，柔性結(jié)構(gòu)分別與底座和蓋板通過(guò)螺釘連接，圖2 為柔性結(jié)構(gòu)的模型示意圖。

圖2 差分干涉儀支撐結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of the DASH interferometer structure

以柔性結(jié)構(gòu)最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力和粘接面最大剪切應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，差分干涉儀柔性結(jié)構(gòu)研究從以下幾點(diǎn)開(kāi)展分析：1）差分干涉儀由不同材料的光學(xué)元件粘接而成的實(shí)體干涉儀，因此首先需要材料熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)提高光學(xué)件的溫度穩(wěn)定性［15］；2）建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)柔性結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理設(shè)計(jì)彈性系數(shù)K，調(diào)整差分干涉儀組件基頻，降低粘接面最大剪切應(yīng)力。3）柔性結(jié)構(gòu)最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力須小于材料的許用應(yīng)力，光學(xué)件與柔性結(jié)構(gòu)膠粘面、光學(xué)件內(nèi)部膠粘面應(yīng)力須小于粘接膠的許用應(yīng)力，且有一定的安全裕度；4）支撐結(jié)構(gòu)能夠降低熱傳導(dǎo)，且外界環(huán)境變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力不會(huì)引起面形變化。

圖3 列出了支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體思路。

圖3 參數(shù)優(yōu)化過(guò)程Fig.3 Optimization process of parameters

2.2 光學(xué)參數(shù)熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)

圖4 為差分干涉儀光學(xué)件結(jié)構(gòu)示意圖，差分干涉儀包含分光棱鏡（BS1、BS2）、視場(chǎng)展寬棱鏡（P1、P2）、楔形間隔元件（S1、S2）、平行間隔元件（PPS）和光柵（G1、G2）等。視場(chǎng)展寬棱鏡可以改變?nèi)肷浜统錾浣嵌?，從而改變基礎(chǔ)光程差（非對(duì)稱(chēng)量）［16］，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)視場(chǎng)展寬棱鏡的材料和中心厚，以及楔形間隔元件（S1、S2）材料和中心厚度可以補(bǔ)償兩臂隨外界環(huán)境變化產(chǎn)生的熱漂移［8］。

圖4 差分干涉儀Fig.4 DASH Interferometer

差分干涉儀的基礎(chǔ)光程差OPD與光學(xué)元件中心厚度及材料折射率相關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化?T，則基礎(chǔ)光程差隨溫度變化量為

式中，n0=1 為真空介質(zhì)折射率，S1和S2為長(zhǎng)短臂間隔元件中心厚度，n為視場(chǎng)展寬棱鏡的光學(xué)材料折射率，L1和L2為長(zhǎng)短臂視場(chǎng)展寬棱鏡中心厚度。

線膨脹系數(shù)αm與材料的中心厚lm關(guān)系為

則式（5）可改寫(xiě)為

式中，αS1為長(zhǎng)臂間隔元件材料線膨脹系數(shù)，αL1為長(zhǎng)臂視場(chǎng)展寬棱鏡材料線膨脹系數(shù)，αS2為短臂間隔元件材料線膨脹系數(shù)，αL2為短臂視場(chǎng)展寬棱鏡材料線膨脹系數(shù)。

依據(jù)式（7）優(yōu)化差分干涉儀的光學(xué)材料和設(shè)計(jì)參數(shù)，降低了基礎(chǔ)光程差（非對(duì)稱(chēng)量）受環(huán)境溫度的影響。表1 為近紅外差分干涉儀光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)，

表1 差分干涉儀設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 DASH interferometer design parameters

表2 三個(gè)方向的基頻Table 2 Natural frequencies in three directions.

2.3 穩(wěn)定性支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

差分干涉儀與支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)柔性結(jié)構(gòu)與分光棱鏡（環(huán)氧膠8217）粘接固定，依據(jù)結(jié)構(gòu)材料和光學(xué)材料線膨脹系數(shù)一致的原則，分光棱鏡光學(xué)材料選用融石英（熱膨脹系數(shù)0.5×10-6/℃），柔性結(jié)構(gòu)采用低膨脹系數(shù)的Invar 材料（熱膨脹系數(shù)為0.6×10-6/℃）。柔性結(jié)構(gòu)由兩部分組成，粘接面和圓周的四個(gè)翅膀。柔性結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)K分成兩部分，翅膀位置彈性系數(shù)K1和粘接面位置彈性系數(shù)K2。圖5 為柔性結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 柔性結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic showing geometry of the flexure

因此柔性結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)K可表示為

式中，YZ為材料楊氏模量，h1為翅膀厚度，b為翅膀?qū)挾龋琹為翅膀長(zhǎng)度，n為翅膀組數(shù)，α為隔板角度，R為粘接面半徑，h2為粘接面厚度，θ為粘接面所占的角度，如圖5 所示。

差分干涉儀光學(xué)件與柔性結(jié)構(gòu)粘接固定，隨機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，粘接面會(huì)發(fā)生彎曲變形。圖6 顯示了粘接面發(fā)生彎曲變形的示意圖。優(yōu)化粘接面的厚度h2從而減小粘接面形變?chǔ)兀ā? μm）導(dǎo)致的粘接面脫膠現(xiàn)象，粘接面的厚度由式（9）優(yōu)化得出

圖6 粘接面彎曲變形示意圖Fig.6 Schematic illustration of the bonding surface bowing effect

式（9）代入式（8），則柔性結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)K變?yōu)?/p>

底部柔性結(jié)構(gòu)尺寸：YZ=145×103MPa，h1=1.5 mm，h2=1.75 mm，b=1.6 mm，α=π/10，l=2.43 mm，n=2，θ=π/4；頂部柔性結(jié)構(gòu)尺寸：h1=1 mm，h2=1.5 mm，b=1.3 mm，α=π/13，l=2.43 mm，n=2，θ=π/4。

因此，底部柔性結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)Klower=52 000 N/mm，頂部柔性結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)Kupper=12 400 N/mm，由于底部柔性結(jié)構(gòu)還起定位作用，因此在Z方向上Klower大于Kupper。

依據(jù)柔性組件系數(shù)KT和固有頻率關(guān)系，優(yōu)化組件彈性系數(shù)可以調(diào)節(jié)組件的基頻fres，其中，KT=Klower·Kupper/(Klower+Kupper)，從而控制光學(xué)件的加速度響應(yīng)不高于30 Grms。

按照3σ 要求，則光學(xué)件承受加速度a=90g，依據(jù)振型有效質(zhì)量因子，單個(gè)柔性結(jié)構(gòu)受力（最大受力）Fmax=62.7 N，代入式（11），單個(gè)柔性結(jié)構(gòu)承受的最大剪切應(yīng)力τmax及柔性結(jié)構(gòu)與分光棱鏡粘接面的最大剪切應(yīng)力σmax為

則單個(gè)柔性結(jié)構(gòu)承受的最大剪切應(yīng)力τmax=48 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Invar 的材料許用應(yīng)力，柔性結(jié)構(gòu)與分光棱鏡粘接面的最大剪切應(yīng)力為σmax=1.4 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8 217 環(huán)氧膠的粘接強(qiáng)度。

3 有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 有限元分析

3.1.1 力學(xué)穩(wěn)定性分析

建立差分干涉儀組件有限元模型，分析干涉儀組件基頻及隨機(jī)振動(dòng)，驗(yàn)證理論分析的正確性，表3 列出了差分干涉儀結(jié)構(gòu)件和光學(xué)件材料參數(shù)表。

表3 材料參數(shù)Table 3 Material properties

分析差分干涉儀組件的基頻，表4 為差分干涉儀組件三個(gè)方向基頻的有限元分析值，三個(gè)方向的基頻均大于100 Hz，滿足星載力學(xué)環(huán)境要求。

表4 有限元分析三個(gè)方向基頻Table 4 Natural frequencies of FEM in three directions

從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析隨機(jī)振動(dòng)條件下的組件響應(yīng)及動(dòng)力學(xué)特性。表5 為隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)輸入條件。輸入條件依據(jù)測(cè)風(fēng)載荷設(shè)備在衛(wèi)星力學(xué)試驗(yàn)條件下，差分干涉儀組件安裝面處的加速度響應(yīng)值

表5 隨機(jī)振動(dòng)輸入條件Table 5 Random vibration test conditions

有限元分析計(jì)算得出，結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力（τmax）為65.56 MPa，發(fā)生在柔性結(jié)構(gòu)翅膀處，與理論計(jì)算結(jié)果一致，光學(xué)元件最大應(yīng)力為0.56 MPa，均小于材料的抗拉強(qiáng)度。表6 列出了隨機(jī)振動(dòng)條件下的應(yīng)力分析值。

表6 應(yīng)力分析值Table 6 Stress of FEM

柔性結(jié)構(gòu)膠粘處最大剪切應(yīng)力（σmax）為3.4 MPa，相較于結(jié)構(gòu)膠粘處環(huán)氧膠（8 217）抗剪強(qiáng)度14 MPa，安全系數(shù)3.4，安全系數(shù)大于1。同理，光學(xué)膠粘處最大剪切應(yīng)力0.2 MPa，相較于光學(xué)膠粘處所用的紫外光敏膠（NOA61）抗剪強(qiáng)度20 MPa，安全裕度為83.3，安全系數(shù)大于1。因此柔性結(jié)構(gòu)有較高的安全裕度。

3.1.2 溫度穩(wěn)定性分析

柔性結(jié)構(gòu)與蓋板和底座通過(guò)柔性結(jié)構(gòu)的翅膀連接，相比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)接觸面積減小了75%，同時(shí)蓋板和基座材料由Invar 改為導(dǎo)熱系數(shù)更低的鈦合金材料，因此柔性結(jié)構(gòu)的熱阻提高了7.5 倍，降低了傳熱效率，提高差分干涉儀的被動(dòng)絕熱溫控。但是由于柔性結(jié)構(gòu)與蓋板的結(jié)構(gòu)材料不同，且差分干涉儀的工作溫度要高于測(cè)風(fēng)載荷主體溫度約5 ℃，因此需要分析環(huán)境溫度變化5 ℃工況下，溫度變化帶來(lái)的熱應(yīng)力對(duì)差分干涉儀的面形的影響，尤其是分光棱鏡將一束光分切成兩路光線，若分光棱鏡兩路出射面的面形隨著環(huán)境溫度發(fā)生變化，產(chǎn)生畸變導(dǎo)致干涉條紋彎曲，進(jìn)而引入額外的多普勒頻移從而影響測(cè)風(fēng)精度［9］。圖7 分別為長(zhǎng)臂和短臂分光棱鏡出射面的面形云圖。表7 列出了溫度變化5 ℃分光棱鏡長(zhǎng)短臂處出射面的面形PV 和RMS 值。由于面形RMS 最大變化1.671 nm（1/519 工作波長(zhǎng)），因此，支撐結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力對(duì)面形產(chǎn)生的畸變可忽略［17］。

表7 PV 值和RMS 值Table 7 PV and RMS

圖7 近紅外差分干涉儀組件的面形變形云圖Fig.7 Surface shape cloud picture of the DASH interferometer assembly in near-infrared

圖8 近紅外差分干涉儀振動(dòng)試驗(yàn)Fig.8 Vibration tesing of the DASH interferometer assembly in near-infrared

3.2 力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步了解差分干涉儀的力學(xué)穩(wěn)定性，驗(yàn)證理論計(jì)算與有限元分析的合理性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一個(gè)包含正弦掃頻和隨機(jī)振動(dòng)的試驗(yàn)，正弦掃頻用于了解差分干涉儀組件的三個(gè)方向固有頻率，隨機(jī)振動(dòng)用于了解差分干涉儀的力學(xué)性能。正弦掃頻輸入條件依據(jù)衛(wèi)星對(duì)測(cè)風(fēng)載荷設(shè)備的正弦掃頻輸入條件。差分干涉儀兩臂端部分別貼有三向加速度傳感器，用于監(jiān)測(cè)差分干涉儀光學(xué)件加速度響應(yīng)情況，圖7 是差分干涉儀測(cè)點(diǎn)位置圖片。測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 的位置相對(duì)支撐點(diǎn)有一定的臂長(zhǎng)，在隨機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，作為負(fù)載會(huì)產(chǎn)生額外的力矩。因此，增加三向加速度傳感器模型，修正有限元模型，表8 為有限元分析和0.2g掃頻試驗(yàn)的三個(gè)方向基頻結(jié)果對(duì)比，與力學(xué)試驗(yàn)值相比，有限元分析值偏差小于4%。

表8 有限元分析的三個(gè)方向基頻和掃頻試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 8 Comparison of natural frequencies of modal analysis and test

設(shè)計(jì)X、Y、Z三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注兩臂端部加速度響應(yīng)值，相比于輸入的加速度均方根值（3.535 Grms），試驗(yàn)結(jié)果顯示X、Y、Z三個(gè)主振方向的加速度均方根分別為17.71 Grms、23.4 Grms 和28.91 Grms。其中最大加速度響應(yīng)與數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析的加速度輸入條件一致。隨機(jī)試驗(yàn)前后，掃頻數(shù)據(jù)曲線一致，光學(xué)件和結(jié)構(gòu)件間膠合面未開(kāi)膠，差分干涉儀組件完好。

力學(xué)試驗(yàn)前后，通過(guò)光路測(cè)試差分干涉儀的干涉條紋頻率，通過(guò)對(duì)比干涉條紋頻率，判斷光學(xué)元件間膠合面狀態(tài)，光學(xué)測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)為力學(xué)前后干涉條紋空間頻率發(fā)生變化（50 個(gè)條紋數(shù)），光學(xué)元件間膠合面未開(kāi)膠。因此差分干涉儀柔性支撐結(jié)構(gòu)滿足力學(xué)環(huán)境條件。圖9 顯示了差分干涉儀測(cè)試光路示意圖、干涉條紋及試驗(yàn)前后干涉條紋空間頻率對(duì)比。圖9（c）中的相位差異是由差分干涉儀組件復(fù)位安裝精度引起的。

圖9 力學(xué)前后光學(xué)測(cè)試示意圖Fig.9 Schematic of optical test before and after the tests

4 結(jié)論

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的能量主要集中在低頻范圍，因此，為了提高組件的力學(xué)性能，需要將組件的基頻設(shè)計(jì)值提高。差分干涉儀現(xiàn)有支撐結(jié)構(gòu)是通過(guò)增加粘接面積的方法提高組件的力學(xué)性能，當(dāng)干涉儀尺寸增大，需要增大粘接面積，這就和增加熱阻相悖。同時(shí)近紅外差分干涉儀支撐結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中光機(jī)粘接面開(kāi)膠現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文以近紅外差分干涉儀的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)為研究目標(biāo)，采用材料熱補(bǔ)償方法完成了高熱穩(wěn)定性的差分干涉儀光學(xué)設(shè)計(jì)，并提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)柔性結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)調(diào)整組件的基頻方法，從而降低粘接面的粘接應(yīng)力。該方法以柔性結(jié)構(gòu)機(jī)械應(yīng)力和光機(jī)粘接表面粘接力小于許用應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化近紅外差分干涉儀柔性結(jié)構(gòu)的材料和尺寸，相較于差分干涉儀現(xiàn)有固定支撐方法，解決了大尺寸差分干涉儀的高穩(wěn)定性絕熱支撐問(wèn)題，柔性結(jié)構(gòu)的熱阻提高了7.5 倍。有限元分析結(jié)果表征，結(jié)構(gòu)件和光學(xué)元件間，及光學(xué)元件間的環(huán)氧膠粘處的粘接應(yīng)力具有一定的安全裕度，環(huán)境溫度變化5℃工況下，支撐結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力帶來(lái)的干涉圖畸變可忽略。力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)表征了差分干涉儀支撐結(jié)構(gòu)滿足航天力學(xué)適應(yīng)性，該方法同樣適用于棱鏡式干涉儀穩(wěn)定性支撐結(jié)構(gòu)。