敏感器主鏡支撐結構的設計與分析

張銀剛，郭旭紅，寇 生

（蘇州大學 機電工程學院，蘇州 215006）

0 引言

近年來，隨著空間科學技術的不斷發展，為適應小衛星搭載，人們對敏感器CCD相機設計提出了更高的要求。主反射鏡（以下簡稱主鏡）是光學系統的關鍵部件，主鏡的支撐技術是主鏡工程應用的關鍵技術之一。本文研究的主鏡形狀是敏感器相機部件的平背形小口徑主鏡，采用石英玻璃材料，外部圓周孔徑為Φ162mm，中心孔徑Φ46mm。

主鏡支撐結構是相機整個結構中極其重要的部分，支撐結構設計的合理與否，直接關系到主鏡在各種載荷作用下的面形精度的好壞。因為主鏡支撐結構在對主鏡進行有效定位的同時卸載它的自重，以達到減小鏡面變形的目的。在力的傳遞過程中，應盡量避免較大的集中力的產生，使力盡量均勻的傳遞。同時需要主鏡組件具有良好的動態適應性，能夠承受發射階段產生的沖擊和振動，最終實現主鏡鏡面變形最小，得到最好的成像質量。

1 初始支撐結構的材料及其自重變形分析

該支撐結構有其獨特之處：該結構不僅起到支撐主鏡的作用，其套筒還用來安放光學系統的兩個透鏡，即節省了材料，起到減重的效果，有簡化了結構，避免了加工的復雜性。

該相機為懸臂梁結構，由于重心的偏置，鏡筒對主鏡支撐結構存在一定的壓力，這樣將導致光學元件間的相對位置變化和光學元件的波前畸變，從而影響和破壞光學系統的成像質量。因此必須使設計的主鏡支撐結構具有高的靜態結構剛度。

主鏡選用的是高穩定性的石英材料，主鏡與其支撐結構的連接部件在結構設計、材料的選擇等方面要滿足多方面的要求，除要求支撐結構的材料選擇盡量與主鏡匹配外，還要求連接結構具有一定的柔性，這里采用膠劑材料作為柔性支撐結構，在其背部及圓周均開有灌膠孔，在壓圈與主鏡之間加橡膠圈。常用的主鏡支撐結構的材料如表1所示。

表1 常用的主鏡支撐結構的材料

從表中可看出，碳纖維復合材料與其它材料比較具有重量輕比強度和比剛度高等優點，是相機輕量化較理想的結構材料。但碳纖維復合材料工藝復雜、成本較高，對該支撐結構減重優勢不明顯；結構材料硬鋁LY12是較常用的一種金屬材料，加工特性好，鈦合金是一種具有很多優異特性的金屬材料，但重量比鋁合金重。

根據重力作用下結構變形的計算結果，可以發現變形明顯或應力、應變集中的地方，推斷出系統的薄弱環節，以便提出改進方案。采用Catia三維造型，導入有限元分析軟件MSC.Patran中進行分析。

有限元模型采用的坐標系為：Y軸正向由次鏡指向主鏡，是光軸方向；Z軸正向豎直向上；Y軸由右手定則確定。

計算參數采用下列單位：長度，mm；質量，t；力，N

邊界條件為支撐結構外部圓周固定，背部6個螺孔固定。

針對上述計算內容和要求，采用的主要單元是Tet10單元，分別采用硬鋁和鈦合金為材料進行靜力分析，分析結果如圖1所示，硬鋁材料最大位移變形量為371nm，鈦合金材料的最大位移變形量為370nm不能滿足設計要求。

通過綜合分析其在結構設計中綜合光學設計的公差要求，確定零件采用硬鋁材料。

盡管選擇了硬鋁材料，但此支撐結構變形量依然過大，需對結構進行改進。

圖1 不同材料支撐結構變形圖

2 支撐結構的改進方案設計

根據以往經驗，圖形參照圖2(a),在其背部伸出一部分，伸出量為1mm,分析后結果最大位移變形量較之以前有明顯改觀，并且在允許的情況下，伸出量越多，最大位移變形量越小。再將尾部的倒角半徑有R2改為R3，最大位移變形量進一步減少。在此基礎上，透鏡鏡筒半徑縮短0.5mm,進行分析，此時最大位移變形量為146nm。

在不影響光路的情況下，把鏡筒外徑不與主鏡接觸的部分進一步減少，也可以起到減重的效果。

最終，根據要求和分析結果，確定方案六支撐結構的模型和分析結果如圖2、3，其最大位移變形量為114nm，與初始方案比較，其質量雖然略有增加，但在設計允許范圍之內，其最大位移變形量減少69.2%，具體設計方案如表2。

表2 支撐結構設計方案

圖2 方案六支撐結構

圖3 方案六靜力分析結果

3 主鏡部件的靜力分析及支撐結構的最終確定

支撐結構的確定跟主鏡的支撐方式有很大關系。根據在主鏡上的支撐位置的不同，支撐方式可以分為中心支撐、周邊支撐、背部支撐（根據反射鏡的口徑可以采用三點支撐和六點、九點、十八點等多層支撐方式）和側面支撐（帶/袋子懸掛法、氣袋/水銀袋浮托法）等。一般來說，側面支撐多用于靜態和地面設備，在空間光學儀器中應用的很少。

將主鏡和其支撐結構裝配，采用有限元分析軟件分別分析主鏡支撐方式為中心支撐和背部和周邊支撐時的靜力變形，其分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 中心支撐

兩種支撐方式的最大位移變形量分別為57.2nm和58.7nm，其自重變形量遠低于面型精度要求，而且最大位移變形量相差不大，但當中心支撐時主鏡的變形非常明顯，會影響甚至破壞光學系統的成像質量 。故 采 用 背 部 支撐的方式，通過壓圈把鏡片固定在鏡框上，并最終驗證了方案六的可行性，確定其作為最終的主鏡支撐結構。

圖5 背部支撐

4 主鏡支撐結構的模態分析

支撐結構是結構剛度最薄弱的環節，加上主鏡質量載荷對它的作用，使其固有頻率變低，要想使光學系統在受迫振動時不至于損壞，其關鍵在于不產生共振，為研究該結構的力學特性，必須對其進行模態分析。

模態分析主要計算結構的固有頻率、模態振型、模態阻尼比以及其他模態參數。

其動力學的基本方程為

對于模態分析 , 通常f(t)=0， 因此模態分析的公式為

式中 : [M] 為結構的質量矩陣；[K]為結構的剛度矩陣；f(t)為節點的荷載向量；為結構的節點加速度向量；{x}為結構的節點位移向量。

對主鏡支撐結構來說，比較關心的是它在X軸向（即光軸向）的運動，它直接關系到次鏡和主鏡的光學間隔，影響最終的成像質量。表3給出了支撐結構各階模態的分析結果。圖6給出基頻F=1564.7Hz的振型，圖7為F=1682.4Hz光軸向的振型。

圖6 支撐結構基頻

表3 支撐結構的固有頻率

圖7 支撐結構光軸向振型

從模態計算結果可知該支撐架結構的剛度較大，基頻較高，可以避開其在發射過程中的敏感頻率范圍。

4 結論

在研究敏感器相機光學元件的支撐方案時，要同時考慮鏡坯材料、結構形式、支撐結構，而且設計、分析的迭代，應分步實施。運用CAD,CAE技術，對主鏡的支撐形式進行研討，利用有限元分析方法，對支撐結構的變形情況進行了分析，在此基礎上進行優化設計，選出了最符合設計總體要求的支撐結構。這樣有利于快速修正設計，及時反饋驗證設計思想，完成結構的細化設計消除盲目性。

[1] 付亮亮,何欣,廉鳳慧.小型反射鏡支撐方案的設計與分析[J].光學技術,2008,34:532-534.

[2] 韋曉孝,等.CAE技術在某空間相機關鍵結構設計中的應用[J].機械設計,2008,25(2):54-57.

[3] 吳清文,等.空間相機中主鏡及其支撐結構設計與分析方法[J].光學技術,2004,30(2):153-156.

[4] 劉磊.空間光學遙感器輕型支撐結構研究[D].中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,2006.

[5] 牛曉明.CAE技術在空間相機光機結構設計中的應用[J].光學精密工程,1999,7(06):23-29.