一種高穩定性次鏡支撐結構的優化設計

李文巖，顏昌翔

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

隨著人們對光學系統分辨率要求的提高，空間光學設備越來越向長焦距、大口徑方向發展［1］。目前同軸卡塞格林形式的光學系統應用比較成熟［2，3］。隨著口徑的增大，次鏡與主鏡之間間距變大，次鏡支撐系統剛度變低，次鏡相對主鏡的位置精度對光學系統的成像質量影響較大。因此，設計合理有效的次鏡支撐結構至關重要［4］。

空間光學系統中較常用的主、次鏡間支撐結構有桁架式、薄壁連接筒式、連接筒與支撐桿組合式等。桁架式結構適合于長焦距光學系統，具有質量輕、比剛度高等優點，在國內外光學設備中應用廣泛；薄壁連接筒式結構由于結構形狀規則，大大簡化了加工和安裝調試過程，在小型光學設備中應用廣泛［5，6］；連接筒與支撐桿組合式結構不但結構穩定、動態剛度好，同時具有方便加工，裝調過程簡單等特點。在光學系統通光口徑相同的條件下，在系統尺寸和整機質量方面，連接筒支撐桿組合結構相對其他兩種結構稍有優勢，因此也得到了廣泛的應用。

本文以激光通信系統為例，對主次鏡間連接筒和支撐桿組合式支撐結構進行了設計，并通過工程分析對設計的可行性進行了驗證。

1 設計

1.1 次鏡支撐結構方案對比

激光通信天線系統作為信號光接收和發射的通道，在激光通信系統中至關重要。圖1為天線部分主鏡、次鏡相對位置關系示意圖。其中主鏡、次鏡軸向距離為270mm，并要求次鏡與主鏡之間的X方向和Y方向的角度位置變動量均不超過20”，這是保證跟蹤精度的關鍵環節，也是次鏡支撐組件質量的衡量指標。

圖1 天線主次鏡位置關系圖

通信天線的光學系統形式為同軸卡塞格林系統，常用的次鏡支撐結構為桁架式支撐以及連接筒與支撐桿組合支撐。

桁架式支撐結構通過多根桁架桿與主、次鏡連接件之間構成三角形，增加了結構的穩定性和剛度。但與此同時，多桿桁架結構也帶來了整機重量的增加以及遮攔比的增大。所以本文從整機尺寸和質量的角度出發，選擇連接筒與支撐桿組合形式。相比之下，連接筒的重量可以通過輕量化進行控制，并配合適當形式的連接桿，可以有效地實現次鏡的合理支撐。

1.2 材料的選擇

空間光學設備中適用于次鏡支撐結構的材料有以下幾種。鈦合金材料，其比剛度高，密度小，是最常用的航天材料之一；殷鋼，其具有很大的彈性模量值，熱膨脹系數可以根據光學件材料匹配選擇，具有很好的環境適應性，是次鏡支撐結構很好的選擇；碳纖維復合材料，熱脹系數可以設計，且具有比剛度大，熱畸變小等特點，但是價格昂貴也是碳纖維復合材料需要考慮的因素。綜合考慮材料的性能，本結構選擇殷鋼作為次鏡支撐結構的材料。

1.3 連接桿的設計

同軸結構的光學天線常用的次鏡連接桿主要有三桿式、四桿式以及多桿式等幾種結構形式，由于多桿式結構會造成系統遮攔面積過大，所以三桿式和四桿式更為普遍［7］。為了滿足主鏡和次鏡的尺寸支撐需要并提高連接桿沿光學系統軸線方向的剛度，連接桿通常與光學系統軸線呈一定角度。圖2為三桿式和四桿式次鏡支撐結構的一階振型分析結果圖，對比結果如表1所示。

圖2 三桿式與四桿式次鏡支撐結構一階振型對比圖

由表1可以看出，三桿式結構的一階頻率比四桿式結構低6.7%；次鏡在重力方向上的位移方面，三桿式比四桿式低2.7%；次鏡的扭轉角度方面，三桿式比四桿式低8.0%，遮攔面積方面，三桿式比四桿式低39.3%。通過以上對比可以看出，四桿式結構在增加了系統的遮攔面積和重量，降低成像質量的同時，一階頻率、次鏡位移以及次鏡的扭轉角度等方面并沒有明顯改善。因此本系統選用三桿式次鏡支撐結構。

表1 三桿式與四桿式次鏡支撐結構一階振型對比

為了減小系統的中心遮攔面積，提高成像質量，支撐桿的厚度往往很小。這樣，每根連接桿在厚度方向的振動頻率很低。本設計在連接桿厚度方向進行部分輕量化，使得連接桿在減輕重量的同時，增強了厚度方向的剛性，提高了厚度方向的振動頻率。

圖3為輕量化前后三桿式次鏡支撐結構的一階振型分析結果圖，對比結果如表2所示。

圖3 連接桿輕量化前后次鏡支撐結構的一階振型對比圖

表2 連接桿輕量化前后次鏡支撐結構的一階振型對比

由表2可以看出，輕量化的三桿結構比未輕量化的結構一階頻率提高了44.8%，提高剛性的同時重量方面也有所降低。因此，本設計采用輕量化的三桿式次鏡支撐結構。

1.4 支撐結構的設計

為了保證主鏡與次鏡之間的相對位置關系，本設計采用主鏡室固定主鏡。為了提高次鏡的面型精度，次鏡與柔性鑲嵌件膠接并與三桿式次鏡支撐結構安裝固定。次鏡支撐結構安裝在主鏡室端面上。

2 分析

2.1 建立有限元模型

為了保證有限元分析結果更加準確，有限元模型須根據實際尺寸構造，載荷及約束合理等效的同時，盡量保證網格細密。圖4所示為本設計的三維有限元模型。模型采用六面體網格劃分方式以保證分析的準確性。在體之間的連接方面，采用節點剛度耦合的方式合理等效螺紋連接，以保證結果接近實際值。

圖4 次鏡支撐結構的有限元模型

2.2 分析結果

2.2.1 鏡面精度分析

在太陽光輻射下系統的溫度變化和不同方向的重力作用將對支撐結構及鏡面精度產生影響［8］。表3所示為5oC溫升以及三個方向重力作用對次鏡精度的影響。由表可知，次鏡與主鏡之間的相對位置關系變化很小，能夠滿足設計要求。

表3 溫度變化和三個方向重力作用對次鏡鏡面精度的影響

2.2.2 模態分析

表4所示為次鏡支撐系統的整體模態分析結果，其一階振型結果如圖5所示。可以看出，次鏡支撐系統整體一階基頻高于300Hz，能夠滿足設計要求。

圖5 次鏡支撐系統整體模態分析結果圖

表4 次鏡支撐系統模態分析結果

3 結論

在空間激光通信終端中，次鏡與主鏡的相對位置關系對于整體光學系統的成像質量至關重要，而次鏡支撐結構是保證這一關系的關鍵部件。本文根據實際應用情況，通過方案對比和分析論證，設計了符合光學系統的激光通信終端次鏡支撐結構的形式。以有限元分析為基礎對結構進行了詳細設計，并討論了系統溫度變化，重力等因素對支撐結構的影響，驗證了設計的合理性。

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