一种空间相机次镜热控罩设计与分析＊

王丽娟

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

引 言

空间相机前端面暴露在空间环境中，如环境温度变化较大或存在较大的温度梯度，会使相机结构产生微量变形，导致反射镜面形改变，从而引起系统的成像质量下降，而次镜正处于相机的前框架上，空间环境条件比较严酷，因此次镜的热控是整个相机热控设计的一个重点。为了实现对次镜组件的主动控温，且考虑到次镜框周边无粘贴加热片空间，必须要为次镜组件设计一个粘贴加热片的载体即次镜热控罩作为次镜组件和电加热片之间热传递的桥梁。文中针对次镜热控罩进行分析和设计，首先在众多空间机械材料中优选次镜热控罩的材料，再根据次镜组件结构特点及热控要求优化设计热控罩的结构方案，兼顾刚度、热辐射要求及易拆装原则，优化设计出一种带斜筋的热控罩方案，并通过有限元法验证斜筋设计的必要性，且针对此种方案的动力学模态进行仿真分析。

1 次镜组件结构

次镜组件由次镜和次镜框等主要部件组成，其中次镜材料为熔石英，次镜框材料为低膨胀系数合金4J32，其余零件如顶块，压片等材料均为TC4。装配完成的次镜组件的实体机械结构如图1所示。

次镜组件具体参数：

（1）次镜组件质量：0.8kg；

（2）次镜组件外围尺寸：145mm×104mm×20mm。

由图1可以看出，在次镜框的周边不仅有减重槽和注胶孔，而且还存在着三个支撑腿结构，因此在热控罩结构设计时，这些都是需要考虑的影响因素。

图1 次镜结构实体图Fig.1 Solid drawing of the second mirror

2 热控罩设计

2.1 材料选择

次镜热控罩作为加热片的载体，应具有传递和辐射热量的功能，同时还要防止次镜热控罩在经受热及外力工况下产生变形对次镜变形产生影响，因此在材料的选择上，首先需要考虑导热系数、比热等参数，然后要考虑材料的比刚度等参数，最后考虑材料的密度和加工性能。表1为航天常用材料的性能参数［1］。

表1 空间机械材料的性能参数Tab.1 Material attributes in space machine

由表1可以看出，铝和硅铝合金的导热率和比热较其它机械材料具有明显优势［2］；且两种材料比刚度相差不多；但铝比硅铝合金加工性能强一些；经过综合对比，最终选择了硬铝合金作为热控罩的材料。

2.2 结构设计

次镜组件结构比较规则，结构设计上需要考虑以下三点要求：

（1）热控罩应有足够的结构刚度，使之在受热、受外力作用下的变形不影响次镜正常工作的面形精度［3］；

（2）热控罩与次镜组件之间的距离要满足在热控罩上的加热片对次镜的热辐射要求；

（3）热控罩应易拆装，其外围能提供足够的空间来进行热控实施。

依据上述三点要求，热控罩采用两体式结构，由左罩和右罩两部分组成，两者成对称分布，两部分之间留有扩张缝，缝宽1mm。左罩和右罩均为整体式结构，即由一块材料经机械加工而成，没有使用到焊接、铆接、螺纹连接等连接方式，产品的整体性较好。在热控罩的内部交叉分布着斜筋，其截面面积为S＝3mm×3mm。斜筋的作用是保证热控罩与次镜组件间的各空间距离为Δ＝1mm（包括上边和周边），如果距离小于1mm，在受到加工和装配误差等外力作用时，热控罩很容易对次镜组件产生干涉，斜筋的设计可以加强热控罩的结构刚度，减小变形［4］；两个平行平面中一个表面发出而落到另一表面上的辐射能与两面距离的平方成反比，所以如果热控罩和次镜组件之间距离从1mm变到2mm，辐射能就变为原来的1／4，所以空气层过厚会影响热控措施的有效性［5］。

热控罩外表面为光滑平面，面板厚度为1mm，可以在平面上实施热控；每个热控罩采用外延折边形式，经过上述设计，次镜热控罩的结构如图2所示，

图2 次镜热控罩外部及内部图Fig.2 The outer and inner sketch of the second mirror mantle

由图2可以看出次镜热控罩的结构形式，其中的缺口部位是为了让开次镜框的三条支撑腿而设计的。

3 有限元分析

3.1 有限元分析模型构造原则及公式

利用patran／nastran软件进行有限元分析，模型构造依据以下原则：有限元模型直接由屏幕样机生成，保证几何数据与真实结构一致，采用手动划分六面体单元建模，以提高分析精度和分析效率。

静力学线形分析基本矩阵方程：

式（1）中，｛F｝为力向量，［k］为刚度矩阵，｛u｝为由｛F｝引起的未知位移向量。

模态分析基本有限元方程：

式（2）中，［M］和［k］分别为结构系统的质量矩阵和刚度矩阵，｛u｝和｛u··｝分别为节点位移与加速度。

3.2 静力学分析

在对热控罩底部连接点进行约束时，对热控罩的静力学变形及热力耦合变形进行分析，验证了斜筋设计的必要性，对比结果如表2、表3所示。

表2 次镜热控罩自重变形引起的位置误差Tab.2 The second mirror′s mantle position error caused by the gravity （单位：μm）

表3 次镜热控罩5℃均匀温升加上自重变形引起的位置误差Tab.3 The second mirror′s mantle position error caused by the gravity and 5℃temperature changed （单位：μm）

以上计算结果可以看出，无论在自重变形和热力耦合条件下，有斜筋热控罩的变形均小于无斜筋的，即斜筋的设计是极其必要的，且有斜筋的热控罩的变形均在允许公差范围内。

3.3 动力学模态分析

对有斜筋的热控罩进行动力学模态分析，计算约束模态（约束方式与静力学相同），结果如表4所示。次镜热控罩前三阶约束模态对应数值、振形描述及意义如表4所示，前三阶约束模态云图如图3所示，其中前三阶模态分别体现热控罩绕Z轴、Y轴及X轴方向的抗扭刚度。

表4 次镜热控罩各阶约束模态Tab.4 The restricting mode of the second mirror mantle

图3 次镜热控罩前三阶约束模态Fig.3 The first three mode of the second mirror mantle

由表4数据可以看出，经过优化的次镜热控罩具有足够的动态刚度。

4 结 论

现依据次镜组件结构特点及热控方案对次镜热控罩进行了结构设计。在设计的过程中，对次镜热控罩进行了有限元分析，分析了两种工况，即在自重下变形和在5℃均匀温升加上自重变形这两种情况，计算结果表明，热控罩在这两种工况下的变形在允许公差范围内，说明次镜热控罩在温升和温降的情况下，不会对次镜组件产生影响；同时热控罩的谐振频率远高于卫星固有频率和外界干扰频率，因此次镜热控罩有很强的抵抗低频振动的能力，具有良好的动态特性。且次镜热控罩具有质量轻，可加工性好等特点。经过以上分析，次镜热控罩满足设计和使用要求，可以在次镜组件热控中使用［6－9］。

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