空间可展开薄膜遮光罩设计与分析

2021-06-23仝照远李萌崔程博霍卓玺罗保睿

中国空间科学技术 2021年3期

仝照远，李萌，崔程博，霍卓玺，罗保睿

钱学森空间技术实验室，北京 100094

“觅音”——宜居行星搜寻计划，是中国在2019年提出的太阳系近邻宜居行星探索计划，通过发射宇航探测器，在日地拉格朗日L2点(位于太阳—地球连线延长线的日地系平衡点之一，即第二拉格朗日点，故简记为L2点)，空间飞行器以编队方式形成空间合成孔径阵列望远镜，以直接成像手段率先发现和认证太阳系外宜居行星。觅音计划中一项关键技术为空间分布式合成孔径阵列望远镜。然而，对于空间望远镜这类的空间光学系统而言，绝大部分都会受到工作环境视场外杂光的影响[1]。同时，由于所探测目标的星等远在20星等之上，场外杂光强度将会高于目标信号强度，导致噪声过大，严重时甚至会形成杂光斑点，无法提取目标信号[2]。空间复杂的环境对光学系统有重要影响，而稳定光学和热学环境能够保证整个系统的观测范围和观测质量。

对于空间光学系统，遮光罩在提高成像质量、抑制消除杂光方面有着不可替代的作用，也是目前应用最广、最成熟的技术之一[3]。此外，遮光罩不仅能够阻挡杂散光，而且具有隔热保温的功能，防止光学系统因为温度过高产生热变形。对于觅音计划来说，需在300 K左右黑体辐射波段(约为7～14 μm的N波段)开展高灵敏度观测，也需要利用隔热手段使得望远镜本身获得深低温环境，从而显著降低光学系统对焦平面电子学造成的热背景。

遮光罩有不同的分类方法，按照是否可折展可以分为不可折展遮光罩[4]和可折展遮光罩[5]。其中可折展遮光罩按照驱动方式可以分类为电机驱动[6-9]、充气驱动[10-12]、弹性铰链驱动[13]等；按照遮光罩本身的结构，可以分为柱形遮光罩[14]、异形遮光罩、平面形遮光罩等。由于外太空严苛的工作环境和有限的工作条件，可折展遮光罩的结构设计是目前所面临的一系列问题之一。

以觅音计划的空间分布式合成孔径阵列望远镜为研究背景，本文采用了一种可折展的薄膜遮光罩设计方案。在发射时，遮光罩处于折叠状态，在轨道机动的过程中，遮光罩逐渐展开至需要状态。基于光学系统任务需求和工作特点，确定遮光罩的基本构型和尺寸。采用折纸技术和仿生原理设计遮光罩的构型，并进行优化设计，最后对薄膜展开过程进行仿真分析，对展开过程中应力变化情况进行监测。

1 遮光罩结构设计

1.1 遮光罩形状设计

觅音计划将在日地L2点实施，距离地球约1.5×106km，太阳光线是影响光学系统观测的杂散光的主要组成部分。由于光学系统和太阳之间并无其他星体遮挡，太阳产生的光线和热量几乎直接作用于光学系统，其中太阳辐射密度在L2点附近高达1 296 W/m2[15]，若没有遮光罩的阻挡，会造成系统成像质量下降甚至失效。

图1所示为光学系统的主次镜系统示意，主镜半径为r1=1 m，次镜直径为d2=1/3 m，次镜在主镜面上的投影和主镜相切，主次镜之间的间距d=4.27 m。遮光罩主要由双层聚酰亚胺薄膜、弹性铰链和相应的支撑机构组成。从图1也可以看出，太阳光入射方向刚好和目标星体入射光线方向相反，二者之间的夹角几乎不变，所以遮光罩采用如图1中所示的平面式结构就能有效阻挡来自太阳的杂散光和热流量。

图1 主次镜系统概念图

1.2 遮光罩尺寸设计

遮光罩的尺寸主要受到观测范围的影响，根据光学系统的俯仰范围即可确定遮光罩的大小。为满足科学探测需要，并考虑到光学系统轨道特点等情况，望远镜俯仰范围,也就是观测范围为-20° ～ +20°。

图2所示为光学系统在两种状态下的示意，图中黑实线表示遮光罩，带有箭头的红实线表示来自太阳的杂散光，蓝色粗实线分别表示主镜和次镜，橙色细实线则表示主次镜之间的连接机构。图2(a)为光学系统在未偏转下的姿态，此时其俯仰角为0°；图2(b)表示光学系统偏转到最大俯仰角时的状态。

图2 卫星不同姿态下的光路传播示意

设遮光罩刚好完全遮挡时的包络圆半径为R，主镜半径为r1，次镜直径为d2，d为主次镜之间的间距，θ为此时的偏转角度。根据几何关系，有：

可以算得当θ=0°时,

R=d×tanθ+r1+d2=1.333 m

当θ=20°时,

R=d×tanθ+r1+d2=2.887 m

遮光罩要保证光学系统在任何情况下都不会受到太阳光线的影响，遮光罩的最小半径应在二者中取最大值，故所需遮光罩最小半径为：

R=2.887 m

2 薄膜折叠方案设计

2.1 薄膜拓扑构型设计

在自然界中，花从花蕾绽开为花朵的形态变化过程可以看作是一种有效遮光面积逐渐增大的过程，通过花萼和花瓣之间的有效配合，能够实现很好的遮挡效果。

图3(a)所示为花朵的简单示意，其主要结构由花瓣和花萼组成，当花朵开放时，花瓣绕着花萼花瓣连接处逐渐向外旋转展开，沿着花朵轴向观察，其投影面积逐渐扩大。以正多边形来代替花萼，如图3(b)中双阴影部分所示，矩形在正多边形边上和相连接作为花瓣，将空白部分的三角形相连接，便可以得到薄膜的拓扑构型。

图3 薄膜构型获取

参考单顶点多折痕[16]方案，并结合花朵开放的过程，经过初步设计，薄膜结构的折痕分布情况如图4(a)所示，其中实线代表峰折，虚线代表谷折。图4(b)所示为薄膜折叠过程中的各种状态。

图4 折痕设计

2.2 薄膜拓扑构型优化

薄膜在折叠和展开两种状态下的几何模型是判断能否满足设计要求的重要依据之一，同时也是计算折展比的基础。因此对薄膜的折叠和展开两种状态进行几何建模。为了迅速、便捷地判断是否满足遮光要求，而且由于薄膜的厚度相对于另外两个方向上的尺寸可以忽略不记，所以暂时不考虑薄膜厚度的影响，并将几何模型进行简化处理。

如图5所示，以正多边形的花萼为例，构建薄膜的几何模型，其中r表示正多边形的内切圆半径，R为展开后薄膜的最大内切圆半径，Y为矩形高度，也就是折叠后正棱柱高度。α为正多边形的内角，v为正多边形的边长。

图5 薄膜几何模型

那么，根据几何关系，可以得到：

正多边形的边长为：

正多边形的内角的一半为：

正多边形面积为：

薄膜总面积：

薄膜内切圆半径：

薄膜内切圆面积：

S=πR2

折叠后的包络体积为：

如第1.2小节所述，主镜的半径为1 m，即r=1 m。由于在主次镜后的星体高度为2 m，所以设定遮光罩折叠后的高度Y=2 m，以此来展示上述各个参数随正多边形边数n的变化趋势。

从图6(a)可以看到，随着正n边形边数的增大，薄膜内切圆面积和薄膜总面积的差越来越小，且二者都存在极小值，但二者取极小值时的n不同。在实际设计时，可以选用较小的n值，这样可以保证整个机构复杂度降低。

图6(b)是薄膜折叠后包络体积随n的变化曲线示意，可以看出，随着n的增大，包络体积V逐渐减小，且减小的速度越来越缓慢。分析认为，当n越大时，正多变形越接近于圆形，折叠后的几何体的底面面积变化趋于平缓。

图6 各个参数变化曲线

遮光罩主要为了保证光学系统的-20° ～ +20°的观测范围，根据几何关系，遮光罩的观测角度θ为：

表1为观测范围随着多边形边数的变化情况，可以看出，随着多边形边数的增加，观测范围存在最小值，但会逐渐增加。在实际设计中，应该使n尽可能小，这样整个机构相对比较简单，容易控制。但是当n=3时，包络体积过大，不能满足要求。当n=6时，刚好满足±20°的观测需求，而且当n再增加时，观测范围增加效果并不显著，所以选定薄膜形状为n=6时所获得的拓扑构型，如图3(b)所示。

表1 观测范围变化情况

2.3 折展比计算

折展比不仅是衡量折展能力的重要参数，也是保证机构折展稳定性的重要因素。在此次的遮光罩设计中，径向的折展比更为重要。径向折展比定义为：

式中:S1为薄膜完全展开后的面积;S0为底面正多边形面积。对于n=6时，径向折展比可以算得λ=8。

3 支撑机构设计

聚酰亚胺薄膜具有高强度、低质量、良好的热稳定性、紫外稳定性、抗原子氧化性能以及较低的红外透过率等优点，因此被广泛应用于各种航天器[17-18]。对于薄膜而言，其面内刚度极低，很难满足在运输、发射、入轨等复杂力学情况下的要求，容易造成薄膜撕裂等情况。另外也需要有相应的机构来带动薄膜运动，实现整个遮光罩的折叠和展开。

支撑结构主要由轻质碳纤维杆和超弹性铰链组成，轻质碳纤维杆为遮光罩结构提供足够的刚度，并起到保护薄膜的作用，超弹性铰链用来驱动薄膜展开。图7(a)(b)分别展示了遮光罩折叠时和展开后的状态。可以看到，遮光罩折叠时，其所包络的空间刚好和卫星星体所占用的空间相重合，减小了发射时所占用的总空间。遮光罩展开驱动力矩由固定在底座上的超弹性铰链提供，图7(c)(d)展示了超弹性铰链在遮光罩支撑结构中的位置。超弹性铰链由两片对向的卷尺形柱面开口壳构建组成，弹性铰链在折叠时已经积累足够的弹性势能来展开遮光罩支撑结构，从而带动支撑结构上的薄膜材料，此外在展开过程中能够实现无间隙运动。由于超弹性铰链自身的特殊结构，可以实现再展开整个遮光罩结构的自动锁定。

图7 支撑结构整体示意

太空中的高真空环境缺少遮挡物，太阳光线在L2点的热流密度系数高达1 296 W/m2，最外层的遮光罩因热辐射形成的温度在300 K左右，因此遮光罩需要具有多层薄膜用以阻挡热量。多层并间隔一定距离的薄膜不仅可以提高挡光效率，还可以形成多层保护，阻挡太阳热影响光学系统的性能。此外，多层薄膜之间形成的区域可以让从外层发出的热量在中间的空隙之间经过有限次的反射后排向外太空，从而减小了里层的热量吸收总量，提高了阻挡热量的效率。

如图8所示，在支撑结构的两面都附上薄膜，薄膜和支撑结构之间采用胶粘连接，支撑结构本身存在一定的厚度，以此形成具有一定间距的双层薄膜结构。