长焦距大视野光学系统的光机结构设计

1简介

作为卫星有效载荷，空间相机的组件在运输，发射和运行的各个阶段都经受各种形式的动态环境的影响，例如声音，振动，冲击和加速. 空间光学元件的镜面变形以及光学元件之间的相对尺寸的变化是影响成像质量和分辨率的重要因素. 为了确保整个机器及其组件可以在可能遇到的动态环境中正常工作，在过程中不会损坏它，不会产生残留变形，并保持相机的良好光学性能. 要求照相机的光学部件具有足够的强度和刚度. 所有结构都必须承受动态环境的考验，而不会破坏结构. 另外，太空光学仪器有严格的重量限制. 因此，有必要仔细设计结构，以确保组件和系统具有抵抗动态环境负荷的能力[1].

空间相机在轨道上的热环境与地面上的热环境有很大不同. 从地面到空间，温度场的变化都会对光学遥感器产生许多不利影响，而对尺寸稳定性的影响是一个重要方面. 由于相机在特定的空间环境中工作，其使用环境的温度变化会导致光学部件及其支撑结构发生一定程度的热变形，一般而言，温度场的变化会导致光学部件的弹性变形. 太空摄像机的光学组件和机械结构，最终会对太空摄像机的光学性能产生不利影响. 因此，要求摄像机结构具有良好的温度适应性[2].

2相机光学系统设计结果

照相机是离轴三反，无中心阻挡的光学系统. 它采用空间桁架结构，具有视野大，体积小，传递功能高的特点. 设计焦距为7 m，视场角为5°，如图1所示，设计透射率达到0.43，达到衍射极限.

3摄像机光机结构设计

3.1镜面材料选择

除了所需的光学特性外，太空相机镜面材料还应具有综合特性，例如高比刚度，小的热变形系数和良好的导热性[3-4]. 表1列出了SiC和其他几种空间镜候选材料的物理特性. 从表1可以看出，碳化硅的比刚度比玻璃材料好，碳化硅的热变形系数最小，表明碳化硅材料具有明显的优势.

3.2相机反射器组件的设计

摄像机的反光镜尺寸和材料统计信息如表2所示. 太空摄像机的主镜尺寸达到近1 m. 结构如图2所示. 质量为35千克. 毫米，质量是22公斤. 本文以主镜和第三镜为例，研究大镜支撑结构的设计.

对于空间镜的安装，通常使用三点定位. 但是，由于反射镜的尺寸大且质量高，难以通过通常的三点支撑来实现反射镜的成像要求. 尺寸光学镜的三点支撑将很难抵抗重力的变形，同时，它不能考虑恶劣的太空环境中的温度变化. ].

因此，多点支持是最终选择. 但是，多点支撑还会带来另内. 内部释放和再分布也会使镜面精度降低.

经过研究，结合理论和实践，本文提出了主镜和三面镜的6点支撑计划，见图3. 在这6点支撑中，三点支撑位置为主支撑装置，用于承受镜子的大部分重力和振动载荷，请参见图4. 三点支撑位置是辅助支撑，用于弥补缺少主支撑的不足，请参见图5. 主支架较大，而辅助支架的刚度相应较小，以适应安装过程中的应力变化. 另一方面，刚度较小的辅助支撑不会干扰主要支撑结构部件的热变形.

主镜组件的设计重量为60千克，三镜组件的设计重量为35千克.

3.3摄像机空间桁架结构设计

由于空间观察需要越来越高的分辨率来进行光学成像，因此空间光学系统的孔径将增加，并且焦距将更长. 这对光学系统镜的支撑和安装提出了更高的要求. 桁架结构由于具有重量轻，结构简单和易于加工的优点而被广泛用于光学系统. 例如，SPOT5卫星上的哈勃望远镜和高分辨率相机使用了桁架结构. 桁架结构作为摄像机的主要支撑部件之一，在设计过程中需要满足以下要求:

（1）提供符合安装精度要求的机械接口；

（2）具有足够的刚度和强度以适应静态和动态环境；

（3）结构动力学特性更好，共振频率更高，并减少了外部振动源对光学系统的影响；

（4）该结构具有良好的热稳定性；

（5）重量轻.

3.3.1桁架结构材料的选择

反光镜部件通过柔性结构连接到框架，主反光镜部件和三个反光镜部件放置并连接到相机后框架，副反光镜部件和相机前框架被定位并连接，并且摄像机的前框架和后框架通过空间桁架结构连接. 足够的通光孔径，不阻挡光线，还可以确保光学组件之间尺寸和结构的稳定性. 碳纤维复合材料是一种综合性能优异的工程材料，是以碳纤维为基体，采用表面活化处理的方法，借助固化剂及其他助剂经过一定的过程. 表3示出了通常用于空间遥感器的碳纤维复合材料和结构材料的性能. 从表3可以看出，碳纤维复合材料具有密度低，比刚度高和线性膨胀系数小的优点. 在光学遥感器的结构设计中，将复合材料用作支撑杆，并进行结构设计以获得尺寸稳定性. 需要对空间光学遥感器有较高要求的支撑结构.

尽管碳纤维复合材料具有许多优异的性能，但是当将碳纤维复合材料制成各种结构部件时，在碳纤维复合材料结构部件和各种金属结构部件之间必须存在界面. 由于碳纤维的可加工性差，并且不容易确保形状，位置和尺寸公差，因此不适合在碳纤维基材上对形成的结构部件进行机械加工. 为了保证碳纤维复合结构件的安装和性能要求，避免加工碳纤维复合材料基材，在形成碳纤维复合材料结构件的过程中，预先在金属纤维复合材料基材上放置金属结构件的过程是: 采用确保和采用混合的方法连接方法提高了组件之间的连接强度.

3.3.2摄像机结构的有限元分析

整个相机采用空间桁架结构. 相机使用空间桁架杆连接相机的反光镜组件和焦平面组件. 在确定后视镜部件的支撑方案和相机桁架结构的连接方案后，采用该设计. 工程分析验证了支持方案[7]. 图6是主要涉及成像的每个反射镜组件的布局和有限元模型图.

模态分析是研究动态刚度以及摄像机结构的基本频率是重叠还是接近遥感卫星载波的一阶固有频率的重要指标. 当摄像机结构的基本频率接近载波的固有频率时，必须对其进行改进.

从表4中可以看出，摄像机结构的基频较高，大于载波的固有频率. 计算结果表明，摄像机结构具有较高的动态刚度，可以适应空间力学环境的要求. 正弦振动分析主要用于模拟每个反射镜在运输过程中遇到的动态环境，并研究抵抗外部振动干扰的能力. 有关正弦振动的输入条件，请参见表5. 经分析，每个成像镜部件的放大倍数相对较小（见表6），主镜支撑的弹性薄板的动态对应应力最大，为28 MPa，但远小于屈服极限所选材料T（600 MPa）的变化，表明相机结构不会产生损坏.

整个摄像机采用空间桁架结构形式. 为了研究摄像机在重力和热环境的影响下是否能够满足摄像机的成像要求，根据摄像机环境适应性分析的数据，采用光学设计分析软件对计算力学和热力进行分析. 形变. 利用光学系统成像质量的影响来模拟摄像机在轨道空间状态下的工作状态.

使用有限元软件分析在自重和不同温度条件下的耦合作用下相机各镜面的表面形状变化. Sag-Fit软件用于对有限元计算数据进行后处理，并去除刚体的位移以获得相机的每个镜面的形状拟合结果. 将镜面形状拟合数据以及机械和热冲击分析数据输入到光学设计分析软件中，并且在图4中显示了在自重和均匀温度下降4°C作用下相机的传递函数曲线. . 7.相机的平均传递函数可以达到0.37，说明该状态下相机结构具有更好的成像性能，充分说明了相机具有更好的环境适应性.

4个结论

（1）摄像机结构动态特性的分析结果表明，沿三个轴的基本频率均在90以上，并且在传输过程和工作状态下不会发生共振，表明该结构具有高动态刚度；

（2）在温度变化和重力均匀度为±4℃的条件下，摄像机的传递函数可以达到0.37，符合设计规范，可以保证在轨成像稳定.

（3）在正弦振动载荷下支撑结构的最大主应力小于允许应力，并且在最弱的环形结处的安全域MS> 0表示结构在发射和运输过程中具有足够的抵抗力能力;在低频正弦振动的激发下，每个反射镜的加速度响应的最大放大倍数为<6倍.

在空间光学遥感器的结构设计中，通过合理选择反射镜材料和桁架结构材料，以合理的支撑方法完成设计，使摄像机结构具有较高的刚度，可以抑制动态环境干扰. 良好的动态特性和良好的热尺寸稳定性，可确保摄像机在轨道上的稳定成像. 分析结果表明，该摄像机的光机设计基本满足设计要求.

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作者简介: 李志来（1965-），男，吉林长春，本科，研究员，主要研究领域是空间光学遥感器的结构设计E-mail: li-zl2004@sohu.com

薛东林（1979-），男，江苏靖江人，博士，副研究员，主要从事先进光学制造技术的研究. 电子邮件: xuedl@ciomp.ac.cn

张学军（1968-），男，吉林长春博士，研究员，主要从事先进光学制造技术的研究. 电子邮件: zxj@ci-omp.ac.cn

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