某機(jī)載光電系統(tǒng)主鏡的輕量化設(shè)計(jì)與分析

魏夢琦,高世林,溫慶榮,張?zhí)扃?祁海軍

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

機(jī)載光電設(shè)備作為現(xiàn)代軍事戰(zhàn)略支援的重要工具,可以在空中搜索各類可疑目標(biāo)時(shí)起到良好的預(yù)警作用。其上搭載的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)可以在紅外輻射背景下準(zhǔn)確識別目標(biāo),并進(jìn)行定位與跟蹤,是機(jī)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)紅外探測與識別的重要載體[1]。近年來,機(jī)載相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展,探測距離與虛警率不斷得到優(yōu)化,對紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的探測距離、探測角度以及跟蹤指向調(diào)整能力等要求日趨嚴(yán)格。隨著探測能力的提升,機(jī)載光電設(shè)備的體積、重量也會(huì)隨之增大,但由于機(jī)載環(huán)境較復(fù)雜、載機(jī)的空間資源有限,故裝機(jī)要求十分嚴(yán)格,是否可以滿足平臺對裝機(jī)設(shè)備的重量、體積要求,已成為各航空設(shè)備的首要衡量因素。如何在保證光電探測能力的同時(shí),減小機(jī)載設(shè)備的重量及外包絡(luò)尺寸,降低成本、擴(kuò)大應(yīng)用范圍,是目前機(jī)載光電系統(tǒng)研制的關(guān)鍵著力點(diǎn),故實(shí)現(xiàn)整機(jī)輕量化、小型化勢在必行[2]。

針對以上問題,在某新型機(jī)載光電系統(tǒng)研制中,前端采用結(jié)構(gòu)緊湊的卡塞格式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu),兼顧紅外光學(xué)性能,由主、次鏡以及一個(gè)物鏡組件共同構(gòu)成,通過方位/俯仰轉(zhuǎn)臺帶動(dòng)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大角度的補(bǔ)償。其中,主鏡是卡式系統(tǒng)的重要部件,其光、機(jī)、熱性能直接決定了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量,進(jìn)而影響整機(jī)的探測性能。而Φ445 mm主鏡尺寸較大,若使用實(shí)心鏡體形式,將引起整個(gè)組件重量的增大,從而增大鏡面變形量[3]。為了減少自重過大給系統(tǒng)帶來的不利影響,本文對該主鏡進(jìn)行了詳細(xì)的輕量化設(shè)計(jì)與仿真分析,對比實(shí)物檢測結(jié)果,驗(yàn)證各項(xiàng)性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,為本領(lǐng)域的反射鏡輕量化設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒價(jià)值。

2 主鏡的輕量化設(shè)計(jì)

主鏡的鏡面變形量將直接影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量,故對主鏡進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)必須在保證其面形精度的前提下,盡可能減輕鏡體自身質(zhì)量,主要的實(shí)現(xiàn)途徑分為以下兩方面:一是選用性能優(yōu)異的坯體材料；二是選擇合理的輕量化結(jié)構(gòu)并確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)給定光學(xué)參數(shù)確定主鏡為圓形非球面反射鏡,口徑Φ445 mm,中心孔徑為Φ90 mm,有效通光口徑內(nèi)面形精度的設(shè)計(jì)要求是RMS≤λ/40(λ=632.8 nm)。

2.1 主鏡材料的選擇

本文針對機(jī)載光學(xué)系統(tǒng)的主鏡開展了研究,其應(yīng)該具有良好的光學(xué)面形且能夠在工作條件下保持較好的穩(wěn)定性。主鏡的材料要求擁有較小的密度、較大的彈性模量、較大的導(dǎo)熱系數(shù)和較小的熱膨脹系數(shù)。目前常用的機(jī)載反射鏡的材料有:微晶玻璃、融石英、鋁、硅、鈹和碳化硅等[4]。表1列出了不同材料的性能屬性。

表1 常用的反射鏡材料性能

對比表1中各材料性能參數(shù),可以看出,SiC具有較大的比剛度和較小的穩(wěn)態(tài)變形系數(shù),且目前SiC加工工藝日趨成熟,綜合考慮材料的抗變形能力、光學(xué)可加工性、熱穩(wěn)定性以及成本等因素,選用SiC作為主鏡材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 鏡體輕量化形式的確定

目前常用的主鏡輕量化結(jié)構(gòu)形式有背部開口型和夾芯型,如圖1所示。背部開口型是在實(shí)心鏡背部進(jìn)行挖孔去重,既可以通過機(jī)械加工來實(shí)現(xiàn),也可以在燒結(jié)鏡坯時(shí)一次成型,此方案工藝性好；而夾芯型則是指鏡體前后背板均為實(shí)體,但二者之間存在一層蜂窩結(jié)構(gòu)。這種方案能夠在相同剛度和強(qiáng)度要求下達(dá)到更高的輕量化率,是最理想的輕量化結(jié)構(gòu),但加工工藝復(fù)雜,難度大、周期長、成本高[5]。基于以上考慮,主鏡采用背部開口型結(jié)構(gòu)形式。

圖1 主鏡輕量化結(jié)構(gòu)形式類型

對于背部開口型輕量化結(jié)構(gòu)形式,主鏡輕量化孔可采用多種不同的截面形式,包括三角形、圓形、六邊形甚至是其他各種形狀,但考慮到結(jié)構(gòu)的加工工藝性,一般舍棄較復(fù)雜的輕量化孔形式,通常采用的有三角形、扇形、六邊形和圓形,圓形孔又可看作是六邊形孔的簡化形式,但輕量化率更低、質(zhì)量不均勻,故一般不采用[6]。對Φ445 mm主鏡背部采用不同截面形式進(jìn)行開孔,如圖2所示,取相同內(nèi)切圓直徑Φ40 mm,比較不同形式下主鏡的輕量化率與鏡面位移最大形變量,結(jié)果如表2所示。可以看出,三角形孔具有較好的輕量化率及最好面形精度,且三角形結(jié)構(gòu)筋板連續(xù)性高、剛度好,故選用三角形孔。

圖2 主鏡輕量化孔形式

表2 不同輕量化孔性能比較

2.3 鏡體結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

主鏡的輕量化構(gòu)型設(shè)計(jì)主要包括輕量化孔形狀的選擇、背部筋板間距、筋板厚度、面板厚度等參數(shù)的確定,不同參數(shù)對鏡面變形的影響程度亦不同[7]。首先,結(jié)合理論計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)先確定影響較小的參數(shù)數(shù)值,令內(nèi)切圓直徑為40 mm、筋板間距為60 mm,內(nèi)外壁厚為6 mm；然后,對影響較大的參數(shù),如:鏡厚、面板厚度等,借助經(jīng)驗(yàn)公式與有限元軟件進(jìn)行迭代優(yōu)化,最終,結(jié)合加工工藝等因素,確定出鏡體的結(jié)構(gòu)形式。

2.3.1 主鏡徑厚比的選擇

徑厚比直接決定了反射鏡的輕量化程度,它的選擇與材料的比剛度、支撐及輕量化形式等有直接關(guān)系。對于邊緣為圓形的反射鏡,國外著名學(xué)者Roberts等人研究了徑厚比與自重變形的關(guān)系,并給出平板實(shí)心鏡徑厚比的經(jīng)驗(yàn)公式:

(1)

式中,δ為最大變形量(μm)；ρ為材料密度(kg·m-3)；R為反射鏡半徑；E為楊氏模量(MPa)；t為鏡厚；Δ為徑厚比；D為反射鏡直徑。

主鏡選用SiC材料,將表1中給定的各參數(shù)值,代入公式(1)中,最大變形量為0.016 μm,直徑D=445mm,可求得徑厚比Δ=9.4,則鏡厚t=47.3 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)理論,背部開口型反射鏡比實(shí)心鏡約厚20 %,再給定安全系數(shù)1.2,最后可確定出主鏡的鏡厚為68 mm。

2.3.2 面板厚度的確定

主鏡在粗磨、精磨、拋光等過程中會(huì)受到一定壓力,若鏡面較薄,則壓力會(huì)使鏡面產(chǎn)生相對于背部輕量化孔均勻分布的壓印效應(yīng),對系統(tǒng)成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。該效應(yīng)與輕量化孔的形式、材料屬性、拋光壓力等因素密切相關(guān),根據(jù)Vukobratovich提出的經(jīng)驗(yàn)公式可知:

(2)

式中,δc為最大網(wǎng)格變形；ψ為形狀因子；P為拋光壓力(kPa)；B為筋板內(nèi)切圓直徑；E為楊氏模量(MPa)；tf為鏡面厚度；ν為泊松比。

針對不同的輕量化截面形式,形狀因子的取值也不同,如:ψtriangle=0.00151,ψsquare=0.00126,ψhexagonal=0.00111。

根據(jù)要設(shè)計(jì)的主鏡尺寸、要達(dá)到的面形精度以及加工工藝要求,假定拋光壓力為67 kPa。又此共孔徑望遠(yuǎn)組件中,物鏡組固連在主鏡背板處,鏡筒直徑Φ100 mm,留出安裝直徑Φ120 mm,主鏡外徑尺寸為Φ445 mm,為了使背部輕量化三角形孔盡量對稱,取筋板間距60 mm,即內(nèi)切圓直徑為40 mm。將SiC材料屬性一起代入公式(2)中,為了使單個(gè)網(wǎng)格的最大變形量δc<λ/10,計(jì)算得出鏡面厚度tf=4.89 mm。

結(jié)合有限元軟件對面板厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),分析不同面板厚度對主鏡質(zhì)量及自重作用下鏡面位移最大形變量的影響,結(jié)果如圖3所示。可以看出,面板厚度7 mm時(shí),鏡面變形最小,但6 mm面板厚度下,位移與其僅相差0.1 nm,質(zhì)量減輕了約330 g,故最終確定面板厚度為6 mm。

圖3 面板厚度對質(zhì)量與面形的影響

2.3.3 筋厚的確定

借助于有限元軟件計(jì)算1 g重力作用下,隨著筋板厚度變化,鏡體質(zhì)量與鏡面位移形變量的變化,結(jié)果如圖4所示。可以看出,筋板厚度每增加1 mm,鏡體質(zhì)量要增大約580 g,鏡面變形也會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)。但當(dāng)筋板厚度達(dá)4 mm時(shí),對鏡面變形的影響最小。故確定筋厚大小為4 mm。

圖4 筋板厚度對質(zhì)量與面形的影響

綜合上述參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果,確定出主鏡最后結(jié)構(gòu)形式,如圖5所示。其中,為了防止鏡坯在反應(yīng)燒結(jié)過程中產(chǎn)生熱結(jié),在三角形孔之間預(yù)留工藝孔,孔徑8 mm。經(jīng)計(jì)算,輕量化設(shè)計(jì)后的主鏡質(zhì)量為6647 g,輕量化率達(dá)到62 %。

圖5 主鏡輕量化結(jié)構(gòu)形式

3 有限元仿真分析

3.1 靜力學(xué)分析

主鏡在工作及檢測過程中光軸保持水平,但在初始安裝點(diǎn)膠過程中則需保持光軸豎直,為了盡可能真實(shí)地模擬主鏡在自重下的變形情況,分別對這兩種工況下的主鏡進(jìn)行靜力學(xué)分析。主鏡采用周邊支撐方式,膠粘固定于邊框內(nèi),鏡面位移形變量由內(nèi)向外逐漸減小,故將約束條件簡化為周邊剛性約束,分析在1 g重力作用下,不同工況的面形變化。計(jì)算得出光軸豎直時(shí),面形精度RMS值為1.13 nm,PV值為4.14 nm；光軸水平時(shí),主鏡面形精度RMS值為0.23 nm,PV值為1.19 nm,變形云圖如圖6所示。兩者均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 不同工況下主鏡變形云圖

3.2 應(yīng)力分析

飛機(jī)急轉(zhuǎn)、俯沖等情況都會(huì)造成機(jī)載光學(xué)系統(tǒng)組件過載,為了避免過載導(dǎo)致主鏡因局部應(yīng)力過大而產(chǎn)生損壞,對其進(jìn)行應(yīng)力分析。經(jīng)試驗(yàn)測定,主鏡所受的最大過載為6 g,借助有限元軟件模擬真實(shí)工作情況,計(jì)算出主鏡所受最大應(yīng)力為0.19 MPa,如圖7所示,遠(yuǎn)小于SiC極限應(yīng)力(1 MPa),滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 沖擊引起的主鏡應(yīng)力云圖

4 試驗(yàn)測試

根據(jù)上述方案優(yōu)化結(jié)果,完成主鏡的加工制造,實(shí)物如圖8所示。采用激光干涉儀進(jìn)行檢測,面形精度RMS實(shí)測值為0.024λ,即15.19 nm,如圖9所示,滿足最初設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果存在一定差別,這是由于試驗(yàn)無法對單一主鏡開展,故重新設(shè)置有限元分析工況,計(jì)算出主鏡組件下面形精度RMS值為11.67 nm。實(shí)測值略大于仿真結(jié)果,因?yàn)榇嬖谝欢ǖ募庸ふ`差,且有限元分析過程中對膠層的簡化設(shè)置可能對仿真結(jié)果帶來一定影響。

圖8 主鏡實(shí)物圖

圖9 干涉儀鏡面面形結(jié)果

5 結(jié) 論

本文對某新型機(jī)載光電系統(tǒng)開展了主鏡的輕量化研究。結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)面形精度和輕小型化要求,確定了主鏡背部三角形開口的結(jié)構(gòu)形式。分析相關(guān)尺寸參數(shù)對主鏡面形與質(zhì)量的影響,采用理論計(jì)算與有限元分析相結(jié)合的方式,確定出鏡厚68 mm,面板厚度6 mm,筋厚4 mm。建立了主鏡的有限元模型,并分析主鏡在重力作用下的變形情況,分析結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。主鏡在重力載荷下面形檢測RMS值為15.19 nm,面形精度良好,輕量化率達(dá)到62 %,為其他機(jī)載光電系統(tǒng)反射鏡的設(shè)計(jì)提供一定借鑒意義。