羅廷云，胡嘉寧，姜宏佳，史姣紅，吳俊，羅世魁

（北京空間機電研究所，北京 100190）

引言

航天高分辨率相機多采用筒體作為支撐結(jié)構(gòu)，溫度引起的各光學零件之間的間隔變化將由筒體的線膨脹系數(shù)決定，而光學零件之間間隔的變化會造成焦距及像面位置的極大改變，因此必須嚴格控制光學件間距的熱穩(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。而高分辨率相機口徑較大，光學零件間的間隔控制更為嚴格，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，但其必將引入復雜的連接結(jié)構(gòu)，對尺寸穩(wěn)定性造成不利影響。雖然碳纖維增強樹脂基復合材料具有較低的密度（約1.5 g/cm3）以及較高的比剛度，但是空間長時間使用要求對其樹脂基體的穩(wěn)定性是一種重大的挑戰(zhàn)，同時其對水蒸氣較敏感，吸濕所引起的體積膨脹將導致空間光學系統(tǒng)地面裝配狀態(tài)與空間在軌運行狀態(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)展起來的新型陶瓷基復合材料，具有密度低、比強度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)、耐環(huán)境能力強、易加工、整體性能可設(shè)計且性能受水蒸氣影響小等優(yōu)點，目前已成為國內(nèi)外高性能空間光學系統(tǒng)研制的重要侯選材料[3,4]。

本文對某高精度光學遙感器用主次支撐結(jié)構(gòu)的鏡筒進行了設(shè)計，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、熱學特性，并通過地面試驗驗證組件的力-熱性能及穩(wěn)定性是否實現(xiàn)設(shè)計指標。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

本文以某三反同軸光學系統(tǒng)型號的主次支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計為背景，相機構(gòu)型見圖1，相機口徑650 mm，次鏡尺寸Φ160 mm，主次鏡間隔800 mm。根據(jù)相機光學和總體指標分解[5]，光學系統(tǒng)對次鏡穩(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，對鏡筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計指標要求如表1 所示。

2 鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

鏡筒結(jié)構(gòu)見圖2所示，鏡筒由上下法蘭、筒壁及加強筋組成，沿軸向及徑向分別布置12條和4條加強筋，下法蘭與相機的主結(jié)構(gòu)相連，上法蘭用于安裝次鏡組件。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，最終設(shè)計結(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，加強筋2 mm，整個鏡筒重量9.5 kg。

3 仿真分析

3.1 模型建立

圖1 相機構(gòu)型圖

表1 鏡筒設(shè)計指標要求

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系采用笛卡爾坐標系，單位體系：長度（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）。仿真計算中模型所用材料參數(shù)見表2所示[6]。

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

3.2 頻率分析

通過仿真計算，對鏡筒的性能進行分析，邊界條件為鏡筒下端固支約束，上端帶有5 kg負載，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的指標要求，模態(tài)振型如圖3所示。

3.3 重力影響分析

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

4 穩(wěn)定性驗證

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一體成型，由于鏡筒成型過程中存在的一些缺點如空隙和微裂紋等，將會降低材料的強度和韌性，同時也會造成應(yīng)力集中，當鏡筒受到外界應(yīng)力時，會與鏡筒自身的內(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，設(shè)計了一系列的消應(yīng)力尺寸穩(wěn)定性試驗，驗證了鏡筒的穩(wěn)定性。

4.1 試驗方法

在產(chǎn)品上粘貼基準塊，試驗前后采用三坐標測量各基準塊的坐標，由基準塊的位置變化計算出鏡筒上法蘭相對于下法蘭的位置及姿態(tài)變化。當位置變化收斂于穩(wěn)定性指標要求時，則停止試驗。試驗量級逐漸增加，首先進行小量級振動消應(yīng)力試驗，檢測消應(yīng)力前后量塊位置變化。當變化穩(wěn)定后，增大量級，通過多次振動使鏡筒尺寸趨于穩(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相比，具有較高的測試精度及良好的重復度，消除了測試的隨機離散誤差。測試精度直接取決于三坐標測量機的精度，一般能達到1 μm。

4.2 振動試驗驗證

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，采用力學振動的方法，對其進行穩(wěn)定性試驗驗證。具體為進行了三個方向的力學試驗，首先進行0.5 g的力學掃頻，測定5～600 Hz范圍內(nèi)的響應(yīng)頻率，然后進行正弦和隨機振動，每次振動前后均進行掃頻，以進行力學特性對比。圖5為組件進行力學穩(wěn)定性試驗，組件經(jīng)過力學試驗后，各部位響應(yīng)正常，結(jié)構(gòu)完好。表3為每次試驗前后的三坐標檢測結(jié)果，一般通過3～4次的振動試驗，鏡筒結(jié)構(gòu)尺寸趨于穩(wěn)定，之后再次振動，只要量級不超過穩(wěn)定性試驗量級，鏡筒結(jié)構(gòu)尺寸不會發(fā)生變化。

4.3 真空熱循環(huán)試驗

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，會出現(xiàn)應(yīng)力釋放，導致應(yīng)力重新分配，造成鏡筒尺寸發(fā)生變化[8]。因此，為驗證鏡筒的熱穩(wěn)定性，需對其進行熱試驗驗證。

鏡筒組件試驗條件為溫度循環(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。試驗前后，采用與振動試驗前后相同的檢測評判標準，試驗后測量結(jié)果為：次鏡安裝面法線角度變化不超過2″，位置變化不超過2 μm，滿足表1 設(shè)計指標要求。

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)定性的重要評價指標，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，同時極大地降低了在軌對熱控資源的需求。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，項目組自制了專用的筒體線膨脹系數(shù)測量裝置，通過常壓控溫箱控制環(huán)境溫度，激光雙頻干涉儀測量產(chǎn)品長度變化的方法來測量線膨脹系數(shù)[9]。該方法測試精度由干涉儀穩(wěn)頻精度決定，試驗中采用了高精度的干涉儀。試驗的測試精度能達到1×10-7。圖7為線膨脹系數(shù)測試試驗。試驗結(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的指標要求。

圖5 鏡筒組件力學振動試驗

表3 穩(wěn)定性試驗結(jié)果

圖6 筒體線膨脹系數(shù)測試

5 結(jié)論

針對某高精度光學遙感器用輕質(zhì)高剛度高穩(wěn)定性鏡筒設(shè)計指標要求，通過優(yōu)化設(shè)計，采用了一種碳纖維三維編織碳化硅增強一體成型的鏡筒。鏡筒重量9.5 kg，一階頻率150 Hz，重力作用下變形4 μm。設(shè)計了鏡筒的穩(wěn)定性試驗裝置及測試方法，結(jié)果表明：經(jīng)過多次振動，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，達到穩(wěn)定后再經(jīng)歷相同級別的試驗，結(jié)構(gòu)尺寸均不再發(fā)生變化。熱真空循環(huán)試驗前后，鏡筒結(jié)構(gòu)尺寸亦未發(fā)生變化。通過自制鏡筒線膨脹系數(shù)測試裝置及方法，測得鏡筒線膨脹系數(shù)為0.35 ppm。通過穩(wěn)定性試驗結(jié)果說明該鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具有較高穩(wěn)定性，目前該鏡筒已成功運用于某高分相機，對高分辨率相機的輕型敏捷化設(shè)計具有一定參考意義。