空间光学遥感器遮光罩结构方案选择_陈立恒

第34卷第2期2008年3月光学技术

OPT ICAL T ECHN IQU E

Vol.34No.2

M ar.2008

文章编号:1002-1582(2008)02-0305-03

空间光学遥感器遮光罩结构方案选择X

陈立恒1,2,吴清文1,葛任伟1,2,颜昌翔1,李泽学1,2,訾克明1,2

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,长春130033;2.中国科学院研究生院,北京100039)

摘要:利用有限元工程分析技术对空间光学遥感器的遮光罩结构方案进行了选择。应用M SC.Patr an/Nastran软件对遮光罩进行了模态分析,应用T M G软件对遮光罩进行了热分析。根据模态分析和热分析的结果对遮光罩材料的铺层方式、遮光罩的结构形式和遮光罩的长度进行了优选。结果表明,[-45b/90b/45b/0b]s交叉对称铺层方式、一条轴向筋和1mm厚度、200mm长度的四棱台式遮光罩的结构方案是合理可行的。其结果为遮光罩的结构设计提供了必要的指导。

关键词:空间光学;遮光罩;模态分析;热分析;结构设计

中图分类号:T P7;O439文献标识码:A

Structure scheme selection of baffle for space optical remote sensor CHEN L-i heng1,2,WU Qin g-wen1,GE Ren-wei1,2,YAN Chang-xiang1,LI Ze-xue1,2,ZI Ke-ming1,2

(1.Changchun Institute of Opt ics,Fine M echanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China)

(2.Gr aduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)

Abstract:T he structure scheme of baffle for space optical r emote sensor is selected by means of finite element method.T he modal analysis is conducted w ith M SC.Patran/N astran code.T he thermal analysis is dealt with the T M G code.According to the results of modal analysis and ther mal analysis,t he material.s laying w ay o f baffle,and the length of baffle are selected.T he results indicate that tentative desig n is reasonable and feasible.T he mater ial.s lay ing w ay of the baffle i s[-45b/90b/45b/0b]s. T he thickness of the4-edge conic baffle is1mm,and its length is200mm.I t is w ith one ax ial rib.A necessary guidance is pre-sented for the design of the baffle of space optical r emote sensor.

Key words:space o ptics;baffle;modal analysis;thermal analysis;structural desig n

1引言

杂散光抑制已成为空间光学工程的关键技术之一,而外遮光罩则是对杂散光进行有效抑制的关键。它可对来自太阳、月亮或反射太阳光的地球的杂散光进行直观和有效的抑制,可保证较高的信噪比。遮光罩的工作环境对遮光罩提出了多方面的要求,不仅要求其具有非常高的可靠性,而且还必须做到轻量化[1)3]。高的可靠性要求其结构具有很高的强度和刚度,从某种角度上而言,该要求将导致遮光罩的质量增加,这与轻量化的要求相矛盾。因此对外遮光罩的不同结构方案进行优选是非常必要的。

有限元分析技术是遮光罩结构方案选择的重要手段,是一种非常有效的数值方法,可设计出人们期望的工程结果,帮助人们用最快的速度、较少的试验次数、较低的成本实现研究的目标[4)8]。有限元工程分析是空间光学遥感器研制工作的重要组成部分,这项工作对空间光学遥感器是否能满足设计要求、达到设计性能指标及最终能否在轨正常工作都具有非常重要的意义。在空间光学遥感器结构设计中,用模态分析法进行了结构系统动力学特性的研究,用热分析技术进行了空间环境的热仿真分析和热影响分析的研究。本文通过遮光罩的模态分析计算和热分析计算,分别对遮光罩材料的铺层方式、遮光罩的结构形式和遮光罩的几何参数即遮光罩的长度进行了优选,其分析结果为遮光罩的结构设计提供了很好的指导作用。

2材料铺层方式的选择

遮光罩拟采用碳纤维复合材料,因为碳纤维复合材料具有质轻、高强度、高刚性,尤其是有非常低的热膨胀系数等一系列优异性能,特别适用于空间

305

X收稿日期:2007-04-03;收到修改稿日期:2007-05-22E-mail:chenliheng@

作者简介:陈立恒(1979-),男,吉林省人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生,主要从事CAD/CAE技术应用和传热技术方面的研究。

结构。铺层设计是复合材料设计特有的工作内容,铺层设计的优劣对遮光罩的整体设计有一定的影响,因此有必要对其铺层方式进行优选。

铺层设计主要包括:选取合适的铺层角,确定各种铺层角的铺层百分比和铺层顺序等。铺层设计的一般原则是[9)

11]

:

(1)面板结构应采用均衡对称铺层,以避免耦合引起的翘曲。

(2)在面板的铺层结构中,任一铺层角的铺层,其最小百分比应大于或等于6%~10%。

图1 遮光罩有限元模型

(3)同一铺层角的铺层不宜过多集中在一起,超过四层容易分层。有限元模型如图1所示。遮光罩的厚度为1mm,模型分4层均匀铺层,单层厚度为0.

25mm,在M SC.Patran

中进行前处理,并提交到MSC.Nastran 中进行求解,所得到的不同铺层方式的固有频率数值如表1所示。

表1 不同铺层方式的前6阶固有频率(单位为Hz)

铺层方式

f 1

f 2

f 3

f 4

f 5

f 6

[-30b /30b /-30b /30b ]s 234.9240.7293.8319.3461.9549.2[30b /-30b /30b /-30b ]s 234.9240.7293.8319.3461.9549.2[-45b /45b /-45b /45b ]s 243.9290.9296.9315.6488.8518.5[45b /-45b /45b /-45b ]s 243.9290.9296.

9315.6488.8518.5[-60b /60b /-60b /60b ]s 229.9267.2355.6423.8500.8546.3[60b /-60b /60b /-60b ]s 229.8267.3355.6423.8500.8546.3[-90b /90b /-90b /90b ]s 190.1222.3334.1339.2342.5351.9[90b /-90b /90b /-90b ]s 190.1222.3334.1339.2342.5351.9[0b /45b /90b /-45b ]s 272.6303.7379.5512.9525.3676.3[45b /0b /-45b /90b ]s 231.0268.0363.8426.9468.9475.9[-45b /90b /45b /0b ]s 279.7308.7390.8525.3541.8684.9[90b /45b /0b /-45b ]s

234.2270.9370.1432.3469.7480.2

注:每一铺层的方向用纤维与x 轴的夹角表示,彼此间用/分开,全

部铺层用[]括上。其下角s 表示对称铺层。

从表1的数据可以看出,在不同铺层方式下,计算所得的遮光罩的固有频率差别较大,[-90b /90b /-90b /90b ]s 和[90b /-90b /90b /-90b ]s 的铺层方式的固有频率最低,而[0b /45b /90b /-45b ]s 和[-45b /90b /45b /0b ]s 的交叉对称铺层方式的遮光罩的固有频率相差不多且较高,其中[-45b /90b /45b /0b ]s 的固有频率最高,而系统的固有频率正比于系统的刚度,固有频率越高意味着外界激励频率越难与其相等,使得发生共振的可能性减少,因而采用了[-45b /90b /45b /0b ]s 的交叉对称铺层方式。3 遮光罩结构形式的选择

外遮光罩由壳体、轴向筋、周向筋及连接法兰等组成。一般的遮光罩是固定式结构或在固定段结构之外附加有加长段[1]。这里采用固定式结构,如图图2 遮光罩的几何模型

2所示,通过带有螺纹孔的法兰与空间光学遥感器接口进行连接。

为了对遮光罩的不同结构形式的结构进行选择,通过分别改变遮光罩长边的轴向筋的个数和遮光罩的厚度来得

到四种结构方案,如表2所示。

表2 遮光罩的结构方案

方案轴向筋的个数

遮光罩的厚度/mm

A 21.5

B 21

C 11.5D

1

1

将以上四种方案的几何模型通过数据接口导入到M SC.Patran 中进行前处理,在前面所确定的材

料的铺层方式下,提交到M SC.Nastran 中进行求解,模态分析的结果如表3所示。

表3 不同方案的前6阶固有频率(单位为Hz)

方案f 1f 2f 3f 4f 5f 6A 429.6449.6482.2544.8852.8873.9B 309.4313.0394.6534.9582.7757.1C 390.1446.9474.3547.2777.9855.9D

279.7

308.7

390.8

525.3

541.8

684.9

从表中可以看出,几种方案遮光罩的固有频率远高于空间光学遥感器的固有频率,但从加工的难易程度和轻量化的角度考虑,应优先考虑方案D 。图3为方案D 的遮光罩的前3阶振型。其中:一阶振型为长边摆动;二阶振型为短边摆动;三阶振型为对角相向变形。

4 遮光罩长度的选择

外遮光罩的温度状态直接影响空间光学遥感器的第一光学表面,使之产生温度梯度,而温度梯度的存在,不仅使玻璃材料的折射率发生变化,而且还会因不均匀热膨胀而导致光学元件面形发生变化。当平面光波通过有温度梯度的光学元件时会产生波面畸变,进而影响空间光学遥感器的成像质量,降低分辨率[12,13]。因此讨论了遮光罩长度对光学系统温度分布的影响,进而对不同的遮光罩长度进行了选

306

光 学 技 术

第34卷