小型反射镜挠性支撑方案的研究

2010-08-16马长征

长春工业大学学报 2010年5期

薛军, 马长征

(中国人民解放军装甲兵技术学院机械工程系,吉林长春 130017)

0 引言

小型空间遥感器由于其体积小、重量轻、安装简单的特点,在目前空间光学观测仪器中,仍扮演重要的角色,尤其是采用较大视场的小型空间遥感器,更具有广阔的发展前途。小型空间遥感器为了实现大视场,需要扩大反射镜的通光孔径,如采用推扫的工作模式,小型长条反射镜是很好的选择。一方面它可以满足大市场的要求,另一方面可以实现重量较轻、体积较小的特点。光学反射镜成像表面的面形精度(PV值和RMS值)是影响空间光学遥感器光学系统成像质量的关键因素(对于成像光学系统要求反射镜面形精度PV≤63.2 nm,RMS≤12 nm)。在重力环境下反射镜容易受重力作用导致变形,而温度变化的环境下,镜面也会发生变形,这些变形会导致成像质量下降。如何使反射镜在力学环境工况下满足面形设计指标要求的同时,在空间热环境工况下也能达到成像要求的面形精度,就需要对反射镜的支撑结构进行合理的设计。理论和实践表明,在温度变化环境下,如果反射镜能够自由膨胀或收缩,反射面上各点的球面性或平面性不会产生破坏性变化,即各点的球半径矢量变化趋于一致,此时反射镜面形精度不会有较大的变化。在支撑结构中增加结构的柔性,反射镜在温度变化环境下具有良好的可变形性,此时反射镜就具有良好的热尺寸稳定性。但是,如果结构的柔性过大,反射镜重力变形就会显著增大,而且抵抗动态载荷的能力将大大降低,所以对柔性环节的使用必须进行仔细研究[1-3]。

文中对450 mm×150 mm长条反射镜的挠性支撑进行了研究,提出了单点挠性支撑,并对具体结构进行了细致的研究。反射镜采用反应烧结SiC材料,以保证镜体自身刚度。工程分析表明,这种支撑可以很好地保证反射镜在静力学、热环境下镜面具有较高成像质量,而其支撑自身在一定的动态环境下不会破坏。

1 反射镜镜体结构设计及支撑方案的确定

对于反射镜的支撑,采用三点支撑是最合理的手段,但对于细长条反射镜,三点支撑受面积的制约难以展开,由此,450 mm×150 mm长条反射镜拟采用单点支撑。

反射镜采用单点支撑具有一定的优势:

1)在反射镜组件调试时,三点支撑或多点支撑会受支撑结构工艺误差、装调方案的影响产生一定不平衡作用力或力偶,这些都会使反射镜变形而导致一定程度的像差。而单点支撑的反射镜虽然也易受外界作用力的干扰,但由于力臂较短,对反射镜影响也相对有限。

2)单点支撑时,当环境温度变化时,支撑结构的变形相对简单(即不会由于多点支撑热变形产生互相干涉),此时反射镜受支撑结构不均匀,热应力的影响会大大降低。

单点支撑虽然具有一定的优势,但弊端也很明显。主要是由于支撑刚度的不足,在重力的作用下,容易产生变形,影响成像质量。所以在设计支撑方案时,首先必须保证镜体具有较高的结构刚度,重力变形较小,减小对结构的依赖性;其次是尽量降低重量,提高支撑结构的动态可靠性。

考察镜体结构刚度主要是针对重力沿光轴方向作用下结构的变形。利用工程分析得到反射镜结构变形优化前后的对比,如图1所示。

图1 反射镜结构变形优化前后的对比

图1(a)为初始的结构重力的变形,此时结构变形不能满足成像的需要。图1(b)为结构刚度的拓扑优化,优化结果表明,中心部位需要加强以调高整体刚度,对结构刚度贡献不大的部位可以去除以降低重量。图1(c)是根据优化后重新设计镜体结构的工程分析,此时结构变形满足光学成像要求。

由于镜体采用反应烧结法,根据工艺特点,可以将反射镜设计成封闭结构,这样对提高结构刚度更加有利,见表1。

表1 反射镜镜体的优化对比

2 挠性支撑结构设计

为了使温度变化下反射镜面形精度达到使用要求,设置一定程度的柔性环节是必要的。根据细长条反射镜宽度较小的基本特点,采用中心挠性支撑。主要是通过设置中心对称的径向变形弹性薄片,以适应反射镜的热变形。反射镜挠性支撑结构如图2所示。

图2中,T型块将反射镜与弹性薄片分别连接起来,起到过渡作用,T型块必须采用与反射镜线胀系数相匹配的铟钢材料制作,弹性薄片则可以采用强度较高的钛合金材料制作。最后弹性薄片再通过过渡角板与外界固定连接,两者需要有狭缝过渡[4-8]。

图2 反射镜挠性支撑结构

当反射镜由于温度变化产生膨胀或收缩时,弹性薄板则受弯矩作用,当薄片的刚度合适时,薄片变形吸收绝大部分反射镜的变形能量,此时反射镜能够做到部分自由变形。

由于挠性环节的设置,系统的刚度将降低,系统的静态和动态稳定性降低。如果将水平的弹性薄片简化为悬臂的片弹簧,则在载荷 P的作用下,片弹簧的自由端变形公式为:

E——材料的弹性模量;

b——片宽度;

h——片厚度;

L——片长度。

当自由端的变形量为单位变形量时,此时可以求得载荷P,近似为单个水平片弹簧的刚度K。当K=1320 N/m,且3块簧片同时为水平设置时,可由公式求得最高一阶固有频率为80 Hz,式中M为反射镜的质量。由于在近似计算中,已经将薄片中心固定(薄片中心不变形),如果在整个反射镜系统中,一阶固有频率将会降低,所以,由此近似导出的一组薄片的结构数据可作为优化设计的初始条件。