高精度光學(xué)遙感器用鏡筒設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性驗(yàn)證

羅廷云，胡嘉寧，姜宏佳，史姣紅，吳俊，羅世魁

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100190）

引言

航天高分辨率相機(jī)多采用筒體作為支撐結(jié)構(gòu)，溫度引起的各光學(xué)零件之間的間隔變化將由筒體的線膨脹系數(shù)決定，而光學(xué)零件之間間隔的變化會(huì)造成焦距及像面位置的極大改變，因此必須嚴(yán)格控制光學(xué)件間距的熱穩(wěn)定性[1]。一般材料如鋁合金或鈦合金，由于材料自身線膨脹系數(shù)較大，多作為小結(jié)構(gòu)尺寸鏡筒。而高分辨率相機(jī)口徑較大，光學(xué)零件間的間隔控制更為嚴(yán)格，多采用低膨脹系數(shù)材料作為支撐結(jié)構(gòu)。雖然低膨脹材料殷鋼4J32B熱變形小，但其密度較大，鑒于重量限制，也多作為小結(jié)構(gòu)尺寸鏡筒，雖然可通過(guò)采用內(nèi)外蒙皮中間夾環(huán)筋結(jié)構(gòu)減輕部分重量，但其必將引入復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)，對(duì)尺寸穩(wěn)定性造成不利影響。雖然碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有較低的密度（約1.5 g/cm3）以及較高的比剛度，但是空間長(zhǎng)時(shí)間使用要求對(duì)其樹脂基體的穩(wěn)定性是一種重大的挑戰(zhàn)，同時(shí)其對(duì)水蒸氣較敏感，吸濕所引起的體積膨脹將導(dǎo)致空間光學(xué)系統(tǒng)地面裝配狀態(tài)與空間在軌運(yùn)行狀態(tài)下尺寸發(fā)生較大的變化[2]。

碳碳化硅（C/SiC）材料是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型陶瓷基復(fù)合材料，具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)、耐環(huán)境能力強(qiáng)、易加工、整體性能可設(shè)計(jì)且性能受水蒸氣影響小等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為國(guó)內(nèi)外高性能空間光學(xué)系統(tǒng)研制的重要侯選材料[3,4]。

本文對(duì)某高精度光學(xué)遙感器用主次支撐結(jié)構(gòu)的鏡筒進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以Hyperworks有限元分析軟件為工具，分析鏡筒在地面裝調(diào)、發(fā)射段和在軌環(huán)境下的力、熱學(xué)特性，并通過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證組件的力-熱性能及穩(wěn)定性是否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

本文以某三反同軸光學(xué)系統(tǒng)型號(hào)的主次支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為背景，相機(jī)構(gòu)型見圖1，相機(jī)口徑650 mm，次鏡尺寸Φ160 mm，主次鏡間隔800 mm。根據(jù)相機(jī)光學(xué)和總體指標(biāo)分解[5]，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)次鏡穩(wěn)定性要求為：光軸傾斜和平移變化量小于3″和3 um，離焦變化量小于3 um。鏡筒要保證次鏡位置的穩(wěn)定性，對(duì)鏡筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如表1 所示。

2 鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏡筒結(jié)構(gòu)見圖2所示，鏡筒由上下法蘭、筒壁及加強(qiáng)筋組成，沿軸向及徑向分別布置12條和4條加強(qiáng)筋，下法蘭與相機(jī)的主結(jié)構(gòu)相連，上法蘭用于安裝次鏡組件。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)結(jié)果為：鏡筒外徑780 mm，高度800 mm，上下法蘭厚度5 mm，筒壁2 mm，加強(qiáng)筋2 mm，整個(gè)鏡筒重量9.5 kg。

3 仿真分析

3.1 模型建立

圖1 相機(jī)構(gòu)型圖

表1 鏡筒設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

圖2 鏡筒構(gòu)型圖

表2 材料性能參數(shù)

鏡筒有限元模型的坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系，單位體系：長(zhǎng)度（毫米mm）、質(zhì)量（噸t）、彈性模量或應(yīng)力（兆帕MPa），力（牛頓N），頻率（Hz）。仿真計(jì)算中模型所用材料參數(shù)見表2所示[6]。

模型建立時(shí)，為確保計(jì)算精度，鏡筒采用四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其余配重均采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.2 頻率分析

通過(guò)仿真計(jì)算，對(duì)鏡筒的性能進(jìn)行分析，邊界條件為鏡筒下端固支約束，上端帶有5 kg負(fù)載，鏡筒一階頻率為150 Hz，振型為鏡筒呼吸模態(tài)，滿足大于130 Hz的指標(biāo)要求，模態(tài)振型如圖3所示。

3.3 重力影響分析

光學(xué)鏡頭裝調(diào)采用光軸水平的方式，重力作用下，鏡筒次鏡端會(huì)出現(xiàn)下沉，對(duì)系統(tǒng)裝調(diào)造成影響。對(duì)該工況進(jìn)行分析，邊界條件為鏡筒下端固支約束，次鏡端帶有5 kg負(fù)載，仿真結(jié)果表明，次鏡端下沉量為4 μm，滿足表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。位移云圖如圖4所示。

4 穩(wěn)定性驗(yàn)證

碳碳化硅（C/SiC）材料鏡筒采用了碳纖維三維編織碳化硅增強(qiáng)一體成型，由于鏡筒成型過(guò)程中存在的一些缺點(diǎn)如空隙和微裂紋等，將會(huì)降低材料的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也會(huì)造成應(yīng)力集中，當(dāng)鏡筒受到外界應(yīng)力時(shí)，會(huì)與鏡筒自身的內(nèi)部應(yīng)力相互作用，使鏡筒內(nèi)部應(yīng)力重新分布，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化[7]。結(jié)合鏡筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一系列的消應(yīng)力尺寸穩(wěn)定性試驗(yàn)，驗(yàn)證了鏡筒的穩(wěn)定性。

4.1 試驗(yàn)方法

在產(chǎn)品上粘貼基準(zhǔn)塊，試驗(yàn)前后采用三坐標(biāo)測(cè)量各基準(zhǔn)塊的坐標(biāo)，由基準(zhǔn)塊的位置變化計(jì)算出鏡筒上法蘭相對(duì)于下法蘭的位置及姿態(tài)變化。當(dāng)位置變化收斂于穩(wěn)定性指標(biāo)要求時(shí)，則停止試驗(yàn)。試驗(yàn)量級(jí)逐漸增加，首先進(jìn)行小量級(jí)振動(dòng)消應(yīng)力試驗(yàn)，檢測(cè)消應(yīng)力前后量塊位置變化。當(dāng)變化穩(wěn)定后，增大量級(jí)，通過(guò)多次振動(dòng)使鏡筒尺寸趨于穩(wěn)定。

圖3 前鏡筒一階模態(tài)

圖4 重力作用鏡筒變形

該方法與經(jīng)緯儀及激光跟蹤儀檢測(cè)相比，具有較高的測(cè)試精度及良好的重復(fù)度，消除了測(cè)試的隨機(jī)離散誤差。測(cè)試精度直接取決于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度，一般能達(dá)到1 μm。

4.2 振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為消除組件裝配應(yīng)力和鏡筒結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性滿足要求，采用力學(xué)振動(dòng)的方法，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證。具體為進(jìn)行了三個(gè)方向的力學(xué)試驗(yàn)，首先進(jìn)行0.5 g的力學(xué)掃頻，測(cè)定5～600 Hz范圍內(nèi)的響應(yīng)頻率，然后進(jìn)行正弦和隨機(jī)振動(dòng)，每次振動(dòng)前后均進(jìn)行掃頻，以進(jìn)行力學(xué)特性對(duì)比。圖5為組件進(jìn)行力學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)，組件經(jīng)過(guò)力學(xué)試驗(yàn)后，各部位響應(yīng)正常，結(jié)構(gòu)完好。表3為每次試驗(yàn)前后的三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，一般通過(guò)3～4次的振動(dòng)試驗(yàn)，鏡筒結(jié)構(gòu)尺寸趨于穩(wěn)定，之后再次振動(dòng)，只要量級(jí)不超過(guò)穩(wěn)定性試驗(yàn)量級(jí)，鏡筒結(jié)構(gòu)尺寸不會(huì)發(fā)生變化。

4.3 真空熱循環(huán)試驗(yàn)

鏡筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力在經(jīng)歷熱循環(huán)及真空環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力釋放，導(dǎo)致應(yīng)力重新分配，造成鏡筒尺寸發(fā)生變化[8]。因此，為驗(yàn)證鏡筒的熱穩(wěn)定性，需對(duì)其進(jìn)行熱試驗(yàn)驗(yàn)證。

鏡筒組件試驗(yàn)條件為溫度循環(huán)：室溫→45 ℃（保溫4 h）→20 ℃（保溫4 h）；真空度優(yōu)于10-4Pa，循環(huán)次數(shù)：2次。試驗(yàn)前后，采用與振動(dòng)試驗(yàn)前后相同的檢測(cè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)后測(cè)量結(jié)果為：次鏡安裝面法線角度變化不超過(guò)2″，位置變化不超過(guò)2 μm，滿足表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4.5 線膨脹系數(shù)

鏡筒的軸向線膨脹系數(shù)是鏡筒熱穩(wěn)定性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，影響次鏡的軸向位置變化。較低的溫度線膨脹系數(shù)更容易保證次鏡軸向位置穩(wěn)定度，同時(shí)極大地降低了在軌對(duì)熱控資源的需求。受鏡筒材料及成型限制，試件的膨脹系數(shù)并不能代表筒體結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)，因此，項(xiàng)目組自制了專用的筒體線膨脹系數(shù)測(cè)量裝置，通過(guò)常壓控溫箱控制環(huán)境溫度，激光雙頻干涉儀測(cè)量產(chǎn)品長(zhǎng)度變化的方法來(lái)測(cè)量線膨脹系數(shù)[9]。該方法測(cè)試精度由干涉儀穩(wěn)頻精度決定，試驗(yàn)中采用了高精度的干涉儀。試驗(yàn)的測(cè)試精度能達(dá)到1×10-7。圖7為線膨脹系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果得出，在10～30 ℃溫度范圍內(nèi)，筒體的軸向線膨脹系數(shù)為0.35 ppm，滿足小于0.5 ppm的指標(biāo)要求。

圖5 鏡筒組件力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)

表3 穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

圖6 筒體線膨脹系數(shù)測(cè)試

5 結(jié)論

針對(duì)某高精度光學(xué)遙感器用輕質(zhì)高剛度高穩(wěn)定性鏡筒設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了一種碳纖維三維編織碳化硅增強(qiáng)一體成型的鏡筒。鏡筒重量9.5 kg，一階頻率150 Hz，重力作用下變形4 μm。設(shè)計(jì)了鏡筒的穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法，結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)多次振動(dòng)，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定在3 μm以內(nèi)，組件具有較高抗振穩(wěn)定性，達(dá)到穩(wěn)定后再經(jīng)歷相同級(jí)別的試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)尺寸均不再發(fā)生變化。熱真空循環(huán)試驗(yàn)前后，鏡筒結(jié)構(gòu)尺寸亦未發(fā)生變化。通過(guò)自制鏡筒線膨脹系數(shù)測(cè)試裝置及方法，測(cè)得鏡筒線膨脹系數(shù)為0.35 ppm。通過(guò)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明該鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有較高穩(wěn)定性，目前該鏡筒已成功運(yùn)用于某高分相機(jī)，對(duì)高分辨率相機(jī)的輕型敏捷化設(shè)計(jì)具有一定參考意義。