【正文】 心誤差＜；鏡面傾斜角最大為均勻溫降 5℃繞 Y 軸傾角 ″＜10″。即主鏡組件在靜力學狀態(tài)下滿足光學設計對結構設計、加工制造和裝配提出的反射鏡表面不規(guī)則面形誤差及位置誤差要求。隨著剛度的弱化，反射鏡的剛體位移將增大，即反射鏡的位置度誤差將加大，而且反射鏡結構系統(tǒng)的動態(tài)剛度將降低，固有頻率降低，與載體的共振的可能性加大。本文采用 CAE 軟件 MSC/PATRAN NASTRAN 進行遙感器的動力學分析計算。如何將柔性支撐成功地應用到遙感器中，必須依靠準確、合理的穩(wěn)定性分44析。塑性變形可導致的各光學元件離軸、傾斜等位置度誤差加大，其中任何一個光學元件位置度超差，都會影響光學系統(tǒng)成像，使遙感儀器無法正常工作。動力學分析的主要內容：1. 建立遙感器的動力學模型，確定環(huán)境擾動形式及函數表達，響應的限定指標；2. 模態(tài)分析：求解遙感器各階固有頻率、振型，找出薄弱環(huán)節(jié)；3. 響應求解：求遙感器在環(huán)境擾動下（低頻正弦掃描振動、隨機振動等工況）應力和加速度響應。要想獲得強度、剛度均滿足設計要求的結構，必須借助結構動力學分析軟件對結構進行動力學分析。 力熱耦合結果分析由 表 3133 可以看出，主鏡鏡面面形最小為 Y 向 1g 重力作用，41PV=＜，RMS=＜，滿足光學設計的指標要求。40由 表 38 可以看出，在三個方向重力作用下，主鏡組件材料的最小安全系數為在 X 向 1g 重力作用時，主鏡的安全系數 61，遠遠大于 ，主鏡的靜態(tài)強度滿足要求。力熱耦合分析主要考察主鏡組件在三個方向重力與均勻溫降 5℃共同 作用下鏡面面形情況和主鏡組件的應力情況，力熱耦合分析結果表 31 表 314 所示。因此，必須采取熱控措施，使主鏡周圍的熱環(huán)境滿足一定的溫度水平和溫度分布要求。圖 314 法向均布載荷作用下的長板的結構示意圖34由式可得，最大變形 為：max? （3 9）kmEhpa?5,312sin)(243ax??????又單位長度段的重量 ，為板的線密度，帶入到式得：ahp?? （310）kmE?5,312sin)(224ax??????從上述分析得，反射鏡的自重變形與鏡厚的二次方成反比，與材料的彈性模量成反比，與板寬的四次方成正比。光學元件間33的相互位置將發(fā)生變化，也就影響光學系統(tǒng)成像質量。圖 312 輕量化柔性環(huán)結構示意圖對輕量化的柔性環(huán)進行優(yōu)化，改變柔節(jié)寬度和中間連接厚度，如 圖 313，計算主鏡組件在 X 向重力與 5℃溫降共同作用下，主鏡鏡面面形誤差，分析結果如 表 35 所示。考慮到動力學和加工的因素，選擇在方案 4的基礎上對柔性結構進行進一步的優(yōu)化。由 圖 36 可以看出，連接法蘭 2 與框架連接螺釘孔同它與連接法蘭 1 的位置很近。在結構確定后，再對主鏡組件的其它工況進行分析，得到帶有柔性支撐的主鏡組件的結構性能?，F(xiàn)在解決熱特性問題有一種趨勢：將反射鏡和支撐結構采用同一種材料。在矩形鉸鏈中，為防止應力集中，通常在根部設置一定大小的圓角，但是，由于鉸鏈的柔性部分的長度 l 和寬度 b 遠遠大于圓角的半徑，所以可以忽略圓角的作用，因而只取變形體進行分析 [22]。這就要求支撐件的剛度在三個方向上的剛度要適合。2. 柔性支撐結構的作用一方面在于隔振，另一方面可以解決很大一部分主鏡裝配應力，3. 更重要的是當溫度變化時，柔性支撐的變形可以補償光學元件與其支撐結構之間的熱特性的不匹配。3. 背部支撐：通常為背部多點支撐，有三點、六點、九點支撐等，大型反射鏡一般采用多點、多層背部支撐方式。多點支撐的位置不同，帶來的鏡面變形也不相同。支撐位置的確定，需要建立在準確的結構分析基礎之上。但可以看出， “一層”9點的支撐系統(tǒng)最有意義，因為其余的系統(tǒng)太復雜、笨重，而且不能完全保證必要的反射鏡穩(wěn)定性。在這種裝置下，當溫度發(fā)生變化時，彈簧的彈性形變補償反射鏡的線膨脹19量不足，反射鏡中心O以及光軸只能在平面bb2 、b3內移動而不在其他平面內移動，不會產生應力。它是在大溫差下使用的反射鏡支撐機構的基本方法，被廣泛采用。因此鏡面對支撐應力的敏感度也在迅速增大。15 主鏡組件有限元約束主鏡組件通過主鏡框的三個安裝平面上螺釘孔安裝在多光譜框架上，故在有限元分析中，將主鏡框的三個安裝平面上螺釘孔進行 6 自由度全約束，如圖27 所示。2. 簡化后的“構件”必須等效真實構件對整機的質量（蘊含慣性及熱容量）和剛度貢獻。計算在動載荷作用下，主鏡支撐結構的加速度及應力情況，是否滿足安全裕度要求。因此，必須采取熱控措施，使主鏡周圍的熱環(huán)境滿足一定的溫度水平和溫度分布要求。如果支撐結構選擇和反射鏡相同的材料(一般為脆性材料)，更要注意加工方面的限制條件。2. 溫度。 主鏡支撐結構本文所研究的主鏡支撐結構的周邊支撐主要由兩個結構件組成：鏡框和柔性連接件。表 22 反射鏡位置誤差要求TTHI(mm)TEDX(mm)TEDY(mm)TETX(″)TETY(″)373177。9 圖 23 主鏡組件屏幕樣機示意圖 主反射鏡對于 TMA 離軸光學系統(tǒng)，其主反射鏡通常采用長條反射鏡。相對于同軸光學系統(tǒng)來說，離軸長條反射鏡的柔性支撐結構將更加復雜。多光譜圖像不但受到農、林、地質、礦產、環(huán)保等部門的重視，而且對國土資源管理及城鎮(zhèn)規(guī)劃提供有效的監(jiān)測手段。 它 有 兩 種 技 術 途 徑 ： （ 1） 位 移 法 （ 剛 度 法 ） 和(2)力 法 （ 柔 度 法 ） 。主要研究內容如下：1. 主 鏡 組 件 材 料 選 擇 ；2. 柔 性 支 撐 結 構 優(yōu) 化 設 計 仿 真 分 析 ；3. 主 鏡 組 件 靜 力 學 、 熱 彈 性 分 析 ；4. 主 鏡 組 件 動 力 學 分 析 。振動對于空間光學遙感器來說，無論是結構還是成像質量方面都不可忽視 [7~10]。這些火工裝置工作時由于能量高速釋放而產生爆炸沖擊，其特點是高幅值的振蕩波形，持續(xù)時間很短。其在運輸、發(fā)射、進入工作狀態(tài)等各個階段，會經受聲、振動、沖擊和加速度等各種形式的動力學環(huán)境。3. 相對孔徑更大：鏡頭的相對孔徑與遙感器的攝影分辨力、景深和曝光量有關。從二十世紀 50 年代末，發(fā)達國家（如美國、前蘇聯(lián)等）就開始進行空間相機的研制。2. 工作環(huán)境特殊。人們對地球觀測的要求越來越高；對光學遙感器的要求也越來越高。世界空間相機發(fā)展概況1. 1957 年 10 月 4 日，蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功2. 1960 年美國發(fā)射了 TIROS1 和 NOAA1 兩顆太陽同步衛(wèi)星，至今其空間相機己經歷了六代的發(fā)展歷程，共發(fā)射了 240 多臺。軍用偵察遙感器經歷了由普查到詳查的發(fā)展過程，分辨力有了大幅度的提高。4. 從膠片型向 CCD 傳輸型轉化：由于膠片型遙感器不能實現(xiàn)圖像的實時傳輸，只能通過回收膠片獲得信息，時間慢，周期長，成本高。 動力學環(huán)境空間動力學環(huán)境主要有：1. 噪聲聲是在起飛和動力飛行過程中，由外表面空氣的脈動壓力所引起的空氣脈動亦稱噪聲。它主要由運載火箭工作時產生，在發(fā)射階段，由于火箭發(fā)動機的推力使遙感器獲得加速度 ，其表達式如下：)(ta （11）)(tMF?式中： —發(fā)動機推力矢量； —飛行器質量；)(t —飛行器的加速度矢量。支撐形式為中心周邊支撐。有 限 元 法 利 用 矩 陣 理 論 來 描 述 和 建 立 分 析 方 程 ， 并 用 矩 陣 方 法 進 行 整 個 的分 析 運 算 過 程 [4][5][6]。有 限 元 的 技 術 流 程 如 圖 11 所 示 。本文研究的遙感器光學系統(tǒng)由反射鏡組成，采用離軸三反、中間不成像光學系統(tǒng)（CookTMA ） 。通常來說，每塊參與成像的光學元件都必須通過支撐結構固定，所以光學元件與其支撐結構（或附件）和在一起統(tǒng)稱為遙感器的分結構系統(tǒng)，如透鏡結構系統(tǒng)或反射鏡結構系統(tǒng)。主鏡輕量化結構如 圖 24 所示。 10 10注：TTHI—位置公差；TEDX—光學元件 X 向偏心誤差；TEDY—光學元件 Y 向偏心誤差；TETX—光學元件繞 X 軸傾角；TETY—光學元件繞 Y 軸傾角。圖 25 主鏡框結構示意圖 影響支撐結構設計的外部條件支撐系統(tǒng)是連接主反射鏡和相機主框架的過渡部分，因此受各種條件的限制。3. 發(fā)射條件。1. 靜力學分析靜力學分析有兩個目的：一是完成主鏡組件結構參數的確定；二是獲得空間微重力作用下主鏡組件的響應。5 ℃徑向溫差：2℃軸向溫差：4℃在本文中用△T 表示溫度變化。有限元仿真分析采用 MSC/Patran 進行前處理，MSC/Nastran 解算器解算。5. 為了保證分析計算數據流準確傳遞，結構靜力學和結構力學分析采用同一有限元模型。因此，必主鏡組件安裝螺釘孔16須對支撐結構進行優(yōu)化、改進，使其滿足熱環(huán)境下鏡面面形精度的要求。4. 此外，火箭發(fā)射時的惡劣力學環(huán)境也會影響反射鏡的支撐結構。例如在資源衛(wèi)星多光譜掃描儀輻射定標設備中，太陽定標系統(tǒng)的反射鏡的支撐采用圖所示的溫度補償法。圖 33 彈簧夾結構 格略伯系統(tǒng)在反射鏡支撐結構的設計中，如何克服自重是一個普遍的問題，它對反射鏡的作用不亞于溫度變化．如 圖34所示，格略伯系統(tǒng)很好地解決了這個問題，20特別是水平放置的反射鏡廣泛采用此結構。 用低膨脹系數材料制作支撐結構選用低膨脹系數材料作為鏡框材料是解決小溫差變化的有效方法．在金屬材料中，因為殷鋼的線膨脹系數較低，所以常常用在反射鏡的支撐結構中。據此，有公式 [15][16]： （3 1）42DtCn????其中：δ ——光學鏡的“變形安全系數” 。而對于長條形反射鏡，由于其結構的多樣性（主要是長寬比隨著這光學系統(tǒng)不同，差別較大） ，還沒有固定的表達式或經驗公式表示，而只能依靠實際的分析計算求得支撐形式。通過整體鏡框來支撐反射鏡。值得注意的是，只允許柔性環(huán)節(jié)產生在光學元件非考核方向上的變形 [18]，即與考核方向( 水平、垂直方向)垂直 。而柔性鉸鏈主要有三24種形式，按切口形狀可以分為：雙軸圓弧切口鉸鏈、雙軸矩形切口鉸鏈、圓切口鉸鏈等三種。如圖（）和如圖（）縱向力的作用下縱向拉伸剛度為：26 （3 7） xFK??圖 38 矩形鉸鏈縱向結構剛度分析示意圖本文的結構優(yōu)化設計，是通過改變和調整柔性支撐結構來實現(xiàn)?？梢赃x用的空間機械材料有鋁、鈹、鈦、銦鋼、其它金屬合金等，其性能指標見表 33。選用 X 向重力與 5℃溫降共同作用分析。調整柔性節(jié)的長度和寬度，優(yōu)化主鏡柔性結構，計算結果如表 33。即在這種結構下，主鏡滿足靜態(tài)剛度的要求。在本主鏡組件的支撐結構優(yōu)化分析中，選擇在方案 4 的結構為最終的支撐結構。重力沿光軸方向作用可以將長條反射鏡看作一個有足夠長度的，承受均勻載荷（承受沿板的法向重力載荷）作用的薄板。表 37 主鏡在靜力學狀態(tài)下的鏡面面形精度鏡面剛體位移(μm) 鏡面傾斜角(″)載荷鏡面 pv(nm)鏡面 rms(nm) ΔX ΔY ΔZ θx θy變形云圖Gx 0. 4 0. 60 圖 316Gy 圖 317Gz 圖 318由 表 37 可以看出，本設計的主鏡組件滿足光學設計指標要求。熱彈性學分析結果如 表 3 表 310 所示，變形云圖如 圖 319 所示。表 314 主鏡組件在重力與均勻溫降 5℃共同作用下應力響應材料 最大 von Mises應力（Mpa） 發(fā)生部位σ b（Mpa）安全系數 25 25鈦合金 TC4與多光譜框架連接螺釘孔 89025 76 柔性內框柔節(jié)處 66殷鋼4J32 柔性內框與框架連接螺釘孔51076 51 75微晶玻璃主鏡與柔性內框接觸面上 5718由 表 314 可以看出，本設計的主鏡組件在熱力耦合狀態(tài)下靜態(tài)強度滿足要求。即主鏡組件在靜力學狀態(tài)下滿足光學設計對結構設計、加工制造和裝配提出的反射鏡表面不規(guī)則面形誤差及位置誤差要求。主鏡的靜態(tài)剛度滿足要求。而剛度的弱化不可避免導致柔性結構的強度降低，使結構在動力學環(huán)境下破壞的概率增大。 有限元動力學模型為了保證分析計算數據流準確傳遞，動力學分析與靜力學分析采用同一有限元模型，如 圖 41 所示。本文對主鏡組件結構進行模態(tài)分析。然而，由于支撐零件剛度的降低，首先是使整個系統(tǒng)的固有頻率降低，很容易與運載工具發(fā)生共振遭到破壞，從而導致任務失敗；再則為了降低剛度，支撐結構需要采用小尺寸或薄殼形式，在振動、沖擊等動力學環(huán)境中，柔性結構易發(fā)生塑性應變或斷裂。試驗研究是解決工程問題的常規(guī)和有效的方法，但在地面很難模擬空間環(huán)境且費用極其昂貴。為確保遙感器在空間狀態(tài)下能正常工作，而且在發(fā)射運載過程中不損傷、不產生殘余變形，要求結構本身具有足夠的剛度和強度。鏡面面形誤差很小，即溫度水平對遙感器主鏡鏡面面形精度影響不大。主鏡的靜態(tài)剛度滿足要求。 力熱耦合分析主鏡在軌工作期間，既受到微重力作用又受到熱作用，因此，要對主鏡組件進行熱力耦合分析。使