空間遙感器指向鏡支撐結(jié)構(gòu)形式綜述

李玲 姜宏佳 劉湃 吳俊

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

我國應(yīng)用衛(wèi)星事業(yè)不斷發(fā)展，對空間遙感器的要求越來越高，指向鏡(又稱擺鏡或掃描反射鏡)也越來越多應(yīng)用于空間遙感器。通過指向鏡的運(yùn)動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，指向鏡在工作過程中需要往復(fù)擺動，指向鏡組件的轉(zhuǎn)動慣量直接影響驅(qū)動電機(jī)的功率選擇和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的支撐剛度設(shè)計，大口徑指向鏡需要重點(diǎn)考慮轉(zhuǎn)動慣量的影響，進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。本文調(diào)研并總結(jié)國內(nèi)外空間遙感器指向鏡的支撐結(jié)構(gòu)，對當(dāng)前產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并針對指向鏡的設(shè)計現(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)計應(yīng)不引起指向鏡的變形，與外界接口簡單，支撐結(jié)構(gòu)的改變不影響指向鏡的結(jié)構(gòu)。綜合國內(nèi)外的公開文獻(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(見圖1)。

圖1 指向鏡支撐結(jié)構(gòu)形式分類

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，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部分的轉(zhuǎn)動慣量，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，同時軸系有較好的結(jié)構(gòu)剛度。典型應(yīng)用為風(fēng)云四號指向鏡的設(shè)計[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，這是鈹指向鏡相對于其他材料指向鏡的優(yōu)勢。鈹材料已經(jīng)大量應(yīng)用于衛(wèi)星指向鏡研制，如美國“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”(GOES)，“陸地衛(wèi)星”(LANDSAT)及中國的風(fēng)云三號氣象衛(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)動工作時，支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量隨之增加。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指向鏡面形的影響。

圖4為一個超輕指向鏡[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)，但整個組件設(shè)計質(zhì)量不超過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)粘接支撐軸時膠固化后會導(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)動力矩對指向鏡面形的影響，不會直接向鏡面?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)。長邊兩側(cè)各粘接2個殷鋼嵌套，并通過連接銷連接到側(cè)面支撐架上。兩側(cè)支撐架通過軸套等結(jié)構(gòu)與驅(qū)動軸連接，從而帶動鏡體轉(zhuǎn)動。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，沒有充分發(fā)揮SiC材料高比剛度及側(cè)面支撐的優(yōu)勢，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指向鏡厚度對軸的尺寸限制，組件質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)設(shè)計比較靈活,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)力和對面型的影響。另一種形式是在鏡體對稱的兩側(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)境溫度變化時指向鏡在軸向的熱變形受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，會產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力向鏡面?zhèn)鬟f會導(dǎo)致面型質(zhì)量的下降。為解決這一問題，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，軸向可以相對移動[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,長寬兩個方向筋高不同，地面測試狀態(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)境溫度相對穩(wěn)定。對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]。

對于長條形指向鏡，當(dāng)工作溫度變化時，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，指向鏡面型會變得很差，因此長條形指向鏡不建議采用裝框的形式。對于口徑不大的長條形指向鏡，也可以采用半開放的周邊支撐形式。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，背部為長方形輕量化孔，鏡體置于半開放式鏡框上，僅長邊兩側(cè)安裝定位，粘接后鏡體上方用4個壓塊限位，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、長寬比較小的高精度指向鏡，特別是在地面裝調(diào)時，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、長寬比較小的指向鏡，長寬比較大時面型受溫度影響較大。側(cè)面支撐更適用于長寬比較大、地面裝調(diào)時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)簡單，沒有大尺寸結(jié)構(gòu)框，轉(zhuǎn)動慣量小，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)動部件，無法對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)境溫度變動范圍也比非轉(zhuǎn)動的空間反射鏡高，這對指向鏡的熱穩(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，在環(huán)境溫度變化時粘接局部面型變化明顯。此外，SiC材料硬度高，加工周期長，特別是兩側(cè)支撐時，轉(zhuǎn)軸與結(jié)構(gòu)質(zhì)心不同軸時往往需要對指向鏡進(jìn)行反復(fù)材料磨削來保證動平衡，或在指向鏡背后增加配重，這都會增加指向鏡設(shè)計的復(fù)雜度，延長研制周期。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)精確熱特性設(shè)計技術(shù)?？紤]在軌工作時指向鏡的真實(shí)溫度分布，設(shè)計時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行光機(jī)熱一體化仿真分析，對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，對柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型及尺寸優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到卸載熱載荷的目的，同時保證組件的總體動態(tài)剛度滿足設(shè)計要求。

(2)粘接技術(shù)。硅橡膠通常強(qiáng)度、剛度較低，膠固化時產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較小，而環(huán)氧膠粘接強(qiáng)度高、剛度大，膠固化時產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也會對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)計時需要根據(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和牌號，并對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)計成蜂窩夾心對稱結(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)整的問題。目前，國內(nèi)SiC指向鏡或者采用背部部分開放的蜂窩夾心結(jié)構(gòu)，通過背部開放孔進(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)首個光學(xué)件，其性能對整個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)計時建議從以下兩個方面考慮。

(1)新型構(gòu)型設(shè)計方案。未來指向鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計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。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，連接處不會產(chǎn)生熱變形。對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，這時可以考慮適當(dāng)降低指向鏡質(zhì)量和剛度，同時增加一定的背部支撐，保證地面裝調(diào)時鏡面的面型精度。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)動成像。

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