一種高穩(wěn)定性次鏡支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李文巖，顏昌翔

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

隨著人們對(duì)光學(xué)系統(tǒng)分辨率要求的提高，空間光學(xué)設(shè)備越來越向長(zhǎng)焦距、大口徑方向發(fā)展［1］。目前同軸卡塞格林形式的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用比較成熟［2，3］。隨著口徑的增大，次鏡與主鏡之間間距變大，次鏡支撐系統(tǒng)剛度變低，次鏡相對(duì)主鏡的位置精度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量影響較大。因此，設(shè)計(jì)合理有效的次鏡支撐結(jié)構(gòu)至關(guān)重要［4］。

空間光學(xué)系統(tǒng)中較常用的主、次鏡間支撐結(jié)構(gòu)有桁架式、薄壁連接筒式、連接筒與支撐桿組合式等。桁架式結(jié)構(gòu)適合于長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)，具有質(zhì)量輕、比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外光學(xué)設(shè)備中應(yīng)用廣泛；薄壁連接筒式結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，大大簡(jiǎn)化了加工和安裝調(diào)試過程，在小型光學(xué)設(shè)備中應(yīng)用廣泛［5，6］；連接筒與支撐桿組合式結(jié)構(gòu)不但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)剛度好，同時(shí)具有方便加工，裝調(diào)過程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在光學(xué)系統(tǒng)通光口徑相同的條件下，在系統(tǒng)尺寸和整機(jī)質(zhì)量方面，連接筒支撐桿組合結(jié)構(gòu)相對(duì)其他兩種結(jié)構(gòu)稍有優(yōu)勢(shì)，因此也得到了廣泛的應(yīng)用。

本文以激光通信系統(tǒng)為例，對(duì)主次鏡間連接筒和支撐桿組合式支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過工程分析對(duì)設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)

1.1 次鏡支撐結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

激光通信天線系統(tǒng)作為信號(hào)光接收和發(fā)射的通道，在激光通信系統(tǒng)中至關(guān)重要。圖1為天線部分主鏡、次鏡相對(duì)位置關(guān)系示意圖。其中主鏡、次鏡軸向距離為270mm，并要求次鏡與主鏡之間的X方向和Y方向的角度位置變動(dòng)量均不超過20”，這是保證跟蹤精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是次鏡支撐組件質(zhì)量的衡量指標(biāo)。

圖1 天線主次鏡位置關(guān)系圖

通信天線的光學(xué)系統(tǒng)形式為同軸卡塞格林系統(tǒng)，常用的次鏡支撐結(jié)構(gòu)為桁架式支撐以及連接筒與支撐桿組合支撐。

桁架式支撐結(jié)構(gòu)通過多根桁架桿與主、次鏡連接件之間構(gòu)成三角形，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度。但與此同時(shí)，多桿桁架結(jié)構(gòu)也帶來了整機(jī)重量的增加以及遮攔比的增大。所以本文從整機(jī)尺寸和質(zhì)量的角度出發(fā)，選擇連接筒與支撐桿組合形式。相比之下，連接筒的重量可以通過輕量化進(jìn)行控制，并配合適當(dāng)形式的連接桿，可以有效地實(shí)現(xiàn)次鏡的合理支撐。

1.2 材料的選擇

空間光學(xué)設(shè)備中適用于次鏡支撐結(jié)構(gòu)的材料有以下幾種。鈦合金材料，其比剛度高，密度小，是最常用的航天材料之一；殷鋼，其具有很大的彈性模量值，熱膨脹系數(shù)可以根據(jù)光學(xué)件材料匹配選擇，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，是次鏡支撐結(jié)構(gòu)很好的選擇；碳纖維復(fù)合材料，熱脹系數(shù)可以設(shè)計(jì)，且具有比剛度大，熱畸變小等特點(diǎn)，但是價(jià)格昂貴也是碳纖維復(fù)合材料需要考慮的因素。綜合考慮材料的性能，本結(jié)構(gòu)選擇殷鋼作為次鏡支撐結(jié)構(gòu)的材料。

1.3 連接桿的設(shè)計(jì)

同軸結(jié)構(gòu)的光學(xué)天線常用的次鏡連接桿主要有三桿式、四桿式以及多桿式等幾種結(jié)構(gòu)形式，由于多桿式結(jié)構(gòu)會(huì)造成系統(tǒng)遮攔面積過大，所以三桿式和四桿式更為普遍［7］。為了滿足主鏡和次鏡的尺寸支撐需要并提高連接桿沿光學(xué)系統(tǒng)軸線方向的剛度，連接桿通常與光學(xué)系統(tǒng)軸線呈一定角度。圖2為三桿式和四桿式次鏡支撐結(jié)構(gòu)的一階振型分析結(jié)果圖，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

圖2 三桿式與四桿式次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階振型對(duì)比圖

由表1可以看出，三桿式結(jié)構(gòu)的一階頻率比四桿式結(jié)構(gòu)低6.7%；次鏡在重力方向上的位移方面，三桿式比四桿式低2.7%；次鏡的扭轉(zhuǎn)角度方面，三桿式比四桿式低8.0%，遮攔面積方面，三桿式比四桿式低39.3%。通過以上對(duì)比可以看出，四桿式結(jié)構(gòu)在增加了系統(tǒng)的遮攔面積和重量，降低成像質(zhì)量的同時(shí)，一階頻率、次鏡位移以及次鏡的扭轉(zhuǎn)角度等方面并沒有明顯改善。因此本系統(tǒng)選用三桿式次鏡支撐結(jié)構(gòu)。

表1 三桿式與四桿式次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階振型對(duì)比

為了減小系統(tǒng)的中心遮攔面積，提高成像質(zhì)量，支撐桿的厚度往往很小。這樣，每根連接桿在厚度方向的振動(dòng)頻率很低。本設(shè)計(jì)在連接桿厚度方向進(jìn)行部分輕量化，使得連接桿在減輕重量的同時(shí)，增強(qiáng)了厚度方向的剛性，提高了厚度方向的振動(dòng)頻率。

圖3為輕量化前后三桿式次鏡支撐結(jié)構(gòu)的一階振型分析結(jié)果圖，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

圖3 連接桿輕量化前后次鏡支撐結(jié)構(gòu)的一階振型對(duì)比圖

表2 連接桿輕量化前后次鏡支撐結(jié)構(gòu)的一階振型對(duì)比

由表2可以看出，輕量化的三桿結(jié)構(gòu)比未輕量化的結(jié)構(gòu)一階頻率提高了44.8%，提高剛性的同時(shí)重量方面也有所降低。因此，本設(shè)計(jì)采用輕量化的三桿式次鏡支撐結(jié)構(gòu)。

1.4 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了保證主鏡與次鏡之間的相對(duì)位置關(guān)系，本設(shè)計(jì)采用主鏡室固定主鏡。為了提高次鏡的面型精度，次鏡與柔性鑲嵌件膠接并與三桿式次鏡支撐結(jié)構(gòu)安裝固定。次鏡支撐結(jié)構(gòu)安裝在主鏡室端面上。

2 分析

2.1 建立有限元模型

為了保證有限元分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，有限元模型須根據(jù)實(shí)際尺寸構(gòu)造，載荷及約束合理等效的同時(shí)，盡量保證網(wǎng)格細(xì)密。圖4所示為本設(shè)計(jì)的三維有限元模型。模型采用六面體網(wǎng)格劃分方式以保證分析的準(zhǔn)確性。在體之間的連接方面，采用節(jié)點(diǎn)剛度耦合的方式合理等效螺紋連接，以保證結(jié)果接近實(shí)際值。

圖4 次鏡支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 鏡面精度分析

在太陽(yáng)光輻射下系統(tǒng)的溫度變化和不同方向的重力作用將對(duì)支撐結(jié)構(gòu)及鏡面精度產(chǎn)生影響［8］。表3所示為5oC溫升以及三個(gè)方向重力作用對(duì)次鏡精度的影響。由表可知，次鏡與主鏡之間的相對(duì)位置關(guān)系變化很小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 溫度變化和三個(gè)方向重力作用對(duì)次鏡鏡面精度的影響

2.2.2 模態(tài)分析

表4所示為次鏡支撐系統(tǒng)的整體模態(tài)分析結(jié)果，其一階振型結(jié)果如圖5所示。可以看出，次鏡支撐系統(tǒng)整體一階基頻高于300Hz，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 次鏡支撐系統(tǒng)整體模態(tài)分析結(jié)果圖

表4 次鏡支撐系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果

3 結(jié)論

在空間激光通信終端中，次鏡與主鏡的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)于整體光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量至關(guān)重要，而次鏡支撐結(jié)構(gòu)是保證這一關(guān)系的關(guān)鍵部件。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，通過方案對(duì)比和分析論證，設(shè)計(jì)了符合光學(xué)系統(tǒng)的激光通信終端次鏡支撐結(jié)構(gòu)的形式。以有限元分析為基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并討論了系統(tǒng)溫度變化，重力等因素對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

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