空間反射式閃耀光柵支撐結構設計

薛闖

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所空間光學研究一部, 吉林 長春 130033

1 概述

某星載溫室氣體探測儀的主要任務目標是采用光學遙感技術手段，利用大氣氣體分子吸收池原理，精確測量CO2等溫室氣體的吸收光譜來精確反演大氣CO2含量。其中大平面反射式閃耀光柵是該設備的核心部件，是實現0.04nm超高光譜分辨率光譜測量的關鍵。

本文針對大平面反射式閃耀光柵的光學設計參數及探測儀總體技術指標要求，進行了光柵支撐結構的設計。工程分析結果表明：光柵支撐結構設計是合理的，能夠滿足工程研制任務要求。

2 光柵設計及其技術指標要求

2.1 光柵外形尺寸

該平面反射式閃耀光柵形狀類似于跑道，其長邊、短邊尺寸分別為175mm、142mm，如圖1所示。

圖1 光柵外形尺寸

2.2 光柵技術指標要求

a) 面形精度

光柵由于裝調、空間1g重力釋放、5℃環境溫度變化等外界耦合作用引起的刻劃表面波前變化（PV值）不大于λ/4，λ為632.8nm；

b) 剛度

光柵組件一階基頻不小于300Hz；

c) 重量

光柵組件重量不大于2.1Kg。

此外，由于探測儀的雜散光技術指標要求很高，這就嚴格禁止光柵刻劃表面遭受劃傷、腐蝕以及塵埃污染等，要求光柵在組件級裝調、測試過程中必須具有防護措施。

3 光柵結構及其支撐結構設計

3.1 光柵材料選擇

平面反射式光柵常用的基體材料有石英玻璃、鋁合金、碳化硅（SiC）等。由于光柵采用離子束刻蝕工藝制作，該種工藝對光柵基體材料的導電性及基體外形、厚度等有要求，因此綜合考慮之后，光柵基體材料選用碳化硅，主要原因是碳化硅屬于半導體材料，通電之后，在光柵基體表面易形成等電勢，能夠保證光柵刻劃的均勻性，另外碳化硅材料還有熱膨脹系數小、比剛度高等優良特性。

3.2 光柵結構及其支撐結構設計

對于平面反射式閃耀光柵，常用的結構支撐方式有背部中心支撐[1]以及周邊支撐[2]兩種形式，光柵的外形尺寸為175mm×142mm，兩種支撐方式都能滿足光柵刻劃表面面形精度、光柵組件重量、光柵組件基頻等指標要求，但考慮到大平面閃耀光柵的刻劃工藝以及嚴格的防護需求，最終決定采用周邊三點固定方式支撐[3]，光柵臥在安裝座中，這樣可以通過設計一塊防護板，保證光柵在組件級裝調、測試過程中隨時能夠處于密閉、受保護的環境中，避免了塵埃污染，光柵詳細支撐結構設計、光柵基體結構設計以及光柵安裝座結構設計分別如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 光柵組件等軸測背部視圖

圖3 光柵組件等軸測正視圖

圖4 光柵基體結構設計

圖5 光柵安裝座結構設計

光柵基體的三個共面凹臺A、B、C分別和光柵安裝座的三個共面凸臺A、B、C配合接觸，再通過光柵壓板靠緊光柵背部限制光柵沿X軸平移以及繞Y軸、繞Z軸旋轉；光柵基體的兩個側壁I、II分別和光柵安裝座的兩個凸臺I、II配合接觸，再通過光柵頂板靠緊光柵側壁III限制光柵沿Y軸、Z軸平移以及繞X軸旋轉。光柵安裝座側壁設計有注膠孔，通過注膠孔注入硅橡膠對光柵進行輔助支撐，在振動環境中，膠層起到緩沖、吸振作用。

為了節省重量、提高組件剛度，光柵背部、光柵安裝座設計了矩形輕量化孔。

3.3 消熱設計

消熱設計的目的是為了抑制由于溫度變化導致的光柵支撐結構的變形對光柵結構的扭曲作用。光柵基體材料為碳化硅（SiC），光柵安裝座材料選擇了殷鋼（4J32），原因是殷鋼的熱膨脹系數可調，能夠與碳化硅材料的熱膨脹系數基本匹配。但由于兩種材料的熱膨脹系數不一定能做到完全匹配，因此需要通過合理設計零件間的配合尺寸來彌補兩種材料的熱膨脹系數匹配殘差，沿光柵刻劃表面法線方向（X向）的消熱設計原理如圖6所示。

圖6 光柵X向消熱設計

碳化硅、鈦合金材料的熱膨脹系數分別為2.39E-6/℃、8.9E-6/℃，訂制的殷鋼材料熱膨脹系數為2.61E-6/℃，假設溫度變化Δt℃，則按照圖6所示的零件布局及相關尺寸，只要h能滿足等式（1），則既能保證光柵壓板和光柵之間保持接觸狀態，卻又無接觸應力，即實現了消熱設計。

經過計算，滿足等式（1）的h值為0.525mm，沿光柵刻劃表面面內（Y向和Z向）的消熱設計采用同樣原理。

4 工程分析

分析了光柵組件的固有模態以及空間1g重力釋放與5℃環境溫度變化耦合作用下光柵刻劃表面的面形變化情況，并根據分析結果對光柵本體結構及其支撐機構進行了優化設計。

4.1 有限元模型

采用Patran軟件建立了光柵組件的有限元分析模型，絕大部分網格單元采用六面體單元，光柵組件的有限元模型如圖7所示。

圖7 光柵組件有限元模型

4.2 熱、力耦合分析

分別分析計算了光柵組件在X、Y、Z三個方向1g重力釋放與±5℃環境溫度變化耦合作用下光柵刻劃表面面形精度變化情況，并根據計算結果進行了迭代優化設計，最終分析計算結果如表1所示。

表1 熱、力耦合作用下光柵面形精度變化統計

從表1可以看出，在Y向1g重力與+5℃溫升耦合作用下光柵面形變化相對較大，但仍滿足指標要求，該工況光柵刻劃表面的變形云圖如圖8所示。

圖8 Y向1g重力與+5℃溫升工況下光柵刻劃表面變形云圖

4.3 模態分析

采用Nastran軟件分析了光柵組件的固有模態[4]，光柵組件首階固有模態頻率為1223Hz，首階模態振形如圖9所示。

圖9 光柵組件首階模態振形圖

4.4 工程分析結論

從有限元分析結果可以看出，光柵組件的模態頻率足夠高，不會與探測儀主體結構發生振動耦合；消熱設計能夠消除光柵支撐結構的變形對光柵結構的扭曲作用。

5 結束語

本文針對某星載溫室氣體探測儀光柵元件的光學設計及其技術指標要求，進行了光柵支撐結構的設計。工程分析結果表明：光柵的支撐結構設計是合理的，能夠滿足儀器對光柵及其支撐結構的靜態剛度、動態剛度、熱穩定性、重量等要求，消熱設計能夠有效抑制光柵支撐結構的變形對光柵結構的扭曲作用，目前該種光柵支撐技術已經在航天工程項目中得到實際應用。

[1]王忠素，翟巖，梅貴等. 空間光學遙感器反射鏡柔性支撐的設計[J]. 光學精密工程,2010,36(8):1833-1841.

[2]譚進國. 空間相機小型反射鏡周邊支撐結構研究[D]. 長春:中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所),2011.

[3]崔永鵬，何欣，張凱. 采用三點定位原理的反射鏡支撐結構設計[J]. 光學儀器,2012,34(6):56-61.

[4]胡宗武，吳天行. 工程振動分析基礎[M]. 上海:上海交通大學出版社,2011年第3版.