星載紫外成像光譜儀光機設計

創新者：薛 闖

星載紫外成像光譜儀光機設計

創新者：薛 闖

本文針對某星載紫外成像光譜儀研制任務，基于適用于小型空間光學成像儀器的薄壁框架式主支撐結構形式，采用模塊化設計方法，進行了光譜儀主光機結構的設計，設計各部組件完成主光機結構分系統相應功能。通過對各部組件及集成后的整機進行有限元建模，以及固有模態、靜力學、動力學、光機熱集成分析，優化了光譜儀主光機結構設計。根據最終優化設計結果，進行了紫外成像光譜儀工程樣機的研制，主光機結構通過了環境模擬試驗考核，光學元件面形精度以及各部組件的空間位置穩定性等測試結果滿足設計指標要求，試驗前后整機光學性能無明顯變化，說明紫外成像光譜儀的主光機結構設計是合理的。

某星載紫外成像光譜儀的主要任務是通過在軌光譜成像試驗，取得地球臨邊大氣的光譜數據。通過對光譜數據的反演處理，可以進行相關大氣物理的科學研究，為地球大氣環境探測和空間物理研究提供新的信息源和發展新的設備，同時可獲得紫外背景輻射場，為目標識別與跟蹤定位等應用提供基礎。

紫外成像光譜儀采用單拋物鏡望遠系統完成地球臨邊大氣光學信息采集，然后通過棱鏡光譜儀進行光譜分光，最后由面陣CCD探測器完成光譜成像，光學系統設計如圖1所示。光譜儀主光機結構的主要功能是根據光學系統設計，精確支撐各光學元件及CCD成像器件，同時還要完成熱控多層、信號處理模塊、光闌等其它功能組件的結構支撐。在進行光譜儀主光機結構設計時，主要考慮了以下設計指標要求：光學元件的面形精度、光學元件之間的相互位置精度、主光機結構的剛度與強度、重量預算等。

本文根據紫外成像光譜儀的總體技術指標要求及光學系統設計，進行了主光機結構的設計。有限元分析及工程研制結果表明：光譜儀的主光機結構設計是合理的，能夠滿足總體技術指標要求。

紫外成像光譜儀主光機結構設計

根據紫外成像光譜儀光學系統構成特點，采用模塊化設計原則，進行主光機系統結構設計。光譜儀分成望遠系統和光譜儀系統兩個模塊，分別進行光機結構設計、制造及裝調，然后這兩個模塊以狹縫為基準進行對接及系統級集成，光譜儀主光機系統CAD模型裝配如圖2所示。

光學元件支撐結構設計

紫外成像光譜儀共包括3片曲面反射鏡、1片平面反射鏡以及1塊色散棱鏡等5個光學元件，根據各光學元件的尺寸、形狀以及工作方式，3片曲面反射鏡采用背部支撐方式，平面反射鏡及色散棱鏡采用周邊支撐方式。反射鏡材料均選擇微晶，棱鏡材料選擇熔石英，結構支撐件材料均選擇殷剛（4J32），殷剛材料的熱膨脹系數可調，能夠與玻璃材料的熱膨脹系數實現匹配。采用背部支撐方式的反射鏡，其結構支撐件與反射鏡背部的中心軸采用無應力光學環氧膠粘接方式進行連接，結構支撐件上設計有柔性環節，可以避免光譜儀主體結構的熱變形對反射鏡面形精度產生影響，以曲面反射鏡中的準直鏡為例，其支撐結構設計形式如圖3所示。

對于采用周邊支撐方式的平面反射鏡及色散棱鏡，其結構支撐件包括主定位結構件及若干輔助定位結構件。主定位結構件上設計精加工機械表面，這些表面與鏡體緊密配合，并通過輔助定位結構件完全限制平面反射鏡或色散棱鏡的6個空間運動自由度。以色散棱鏡為例，其支撐結構設計形式如圖4所示。

主支撐結構設計

紫外成像光譜儀整體尺寸不大，因此望遠系統和棱鏡光譜儀的主框架都采用了在小型空間光學儀器中得到廣泛應用的薄壁整體式結構，坯料采用整體鍛造成型，通過粗加工、精加工以及研磨等工序達最終形位公差要求。光譜儀主支撐框架設計形式如圖5所示，各面基礎壁厚及筋厚為3mm，根據有限元分析結果對筋的排布位置及壁厚進行了優化。

圖2 紫外成像光譜儀主光機結構設計

圖3 準直鏡支撐結構設計

有限元分析

為驗證紫外成像光譜儀主光機結構設計，采用有限元建模軟件Patran和求解器Nastran對光譜儀整體結構進行固有模態、重力釋放與環境溫度變化耦合作用下的分析計算，并進行優化設計，在整機有限元模型中包含了電子學組件，最終計算結果如表1、表2所示。

圖4 色散棱鏡支撐結構設計

圖5 光譜儀主支撐框架設計

圖6 光譜儀整機有限元模型

圖7 整機第一階振形圖

圖8 棱鏡組件工程樣件

圖9 光譜儀系統級波前像差檢測

圖10 紫外成像光譜儀振動力學試驗

表1 整機結構固有頻率

表2 整機沿Y軸1g重力釋放及5°溫升耦合工況下組部件形位變化值

從模態分析結果可以看出，光譜儀整體結構的模態頻率滿足總體技術指標要求，動態剛度足夠高，表明整機結構與衛星平臺結構不會發生振動耦合；重力釋放和環境溫度變化工況分析結果表明，光譜儀結構設計能夠滿足各光學元件的形位精度要求，說明光譜儀結構設計是合理的，整體結構對稱性好，選取材料的物理特性匹配。

整機結構有限元模型、第一階模態振型如圖6、圖7所示。

工程研制

紫外成像光譜儀完成最終優化設計后，進行了工程樣機研制。采用拼盤加工工藝加工了3片曲面反射鏡，平面反射鏡及棱鏡采用了常規加工工藝。所有反射鏡完成組件級裝配后，面形精度均優于15.2nm；棱鏡組件在干涉儀監視面形變化狀態下進行了組件級裝配，面形精度也優于15.2nm，棱鏡組件工程樣件如圖8所示。

所有光學元件完成組件級裝配后，分別進行了望遠系統及棱鏡光譜儀的子系統級光機裝調，兩個子系統裝調完畢后以狹縫為基準進行對接、集成，形成紫外成像光譜儀光機主體結構。圖9為棱鏡光譜儀光機裝調后，波前像差測試結果，形狀與光學設計吻合。

紫外成像光譜儀完成主光機結構集成后，進行了振動及熱環境模擬試驗，試驗前后主光機系統成像質量、光譜分辨率等性能無明顯變化，圖10為力學振動試驗圖片。

結語

本文針對紫外成像光譜儀研制任務，采用薄壁框架式主支撐結構，進行了主光機結構的設計，通過有限元分析方法，對光學元件支撐結構及主支撐框架進行了優化，工程樣機測試及試驗結果表明：光譜儀的主光機結構設計是合理的，經環境模擬試驗后，光譜儀的空間分辨率、成像質量以及光譜分辨率等指標仍滿足光學設計指標要求。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.012