多光譜相機(jī)高穩(wěn)定性光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

蔡偉軍 范斌 張鳳芹 李慶林 魏鑫

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

“資源三號(hào)”衛(wèi)星是中國第一顆民用立體測(cè)繪衛(wèi)星，衛(wèi)星通過三線陣相機(jī)拍攝高幾何定位精度的立體圖像，通過多光譜相機(jī)影像與三線陣正視相機(jī)全色影像的融合處理，確定地形圖上主要地物的物理屬性，生成彩色正射影像產(chǎn)品。為確保對(duì)所觀測(cè)地物的平面定位精度，用戶及衛(wèi)星總體對(duì)多光譜相機(jī)在軌內(nèi)方位元素（主點(diǎn)、主距、畸變）的穩(wěn)定性也提出了嚴(yán)格的要求。經(jīng)分析，相機(jī)入軌后，引起內(nèi)方位元素變化的主要因素是由于衛(wèi)星及相機(jī)主體溫度的波動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱變形和熱應(yīng)力[1-2]。另外，相機(jī)還要經(jīng)歷嚴(yán)酷的發(fā)射環(huán)境，因此為了保證入軌后具有良好的成像品質(zhì)，相機(jī)需具有高的力學(xué)和熱穩(wěn)定性。

多光譜相機(jī)光機(jī)主體采用三反離軸光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示。相機(jī)主要包括：主鏡組件、三鏡組件、次鏡組件、平面鏡調(diào)焦組件、焦面組件、主體框、遮光罩以及柔性卸載裝星結(jié)構(gòu)等。

本文從影響相機(jī)在軌成像品質(zhì)和內(nèi)方位元素穩(wěn)定性的因素出發(fā)，結(jié)合三反離軸相機(jī)的特點(diǎn)，分別從反射鏡支撐設(shè)計(jì)、高剛度主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及柔性卸載裝星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面重點(diǎn)介紹多光譜相機(jī)高穩(wěn)定性光機(jī)主體設(shè)計(jì)技術(shù)。

2 反射鏡組件的設(shè)計(jì)及分析

反射鏡組件是遙感相機(jī)的核心部件，其面形精度和位置精度直接影響光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)及光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)方位元素。在軌真空、熱交變等復(fù)雜的環(huán)境條件將會(huì)引起相機(jī)結(jié)構(gòu)變化，從而產(chǎn)生的應(yīng)力傳入反射鏡將使得面形超差，導(dǎo)致成像品質(zhì)下降，因此要求反射鏡組件具有一定的剛度滿足發(fā)射環(huán)境的同時(shí)，具有一定的應(yīng)力卸載設(shè)計(jì)，保證反射鏡具有較好的穩(wěn)定性[3-5]。

以主鏡為例介紹反射鏡的無應(yīng)力支撐設(shè)計(jì)。主鏡采用多點(diǎn)球鉸支撐結(jié)構(gòu)，通過中心1點(diǎn)及側(cè)面3點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)的自由度解耦設(shè)計(jì)，在支撐框與反射鏡之間實(shí)現(xiàn)靜定支撐，如圖2所示。這種靜定結(jié)構(gòu)不會(huì)將因熱不匹配或裝配失調(diào)產(chǎn)生的外應(yīng)力傳至反射鏡[6]，從而保證反射鏡面形的穩(wěn)定。

利用有限元分析方法和數(shù)值技術(shù)手段，對(duì)反射鏡組件在軌重力釋放和在軌溫度變化2℃情況下的面形變化和位置變化進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖3～5所示，圖中PV為面形的峰谷值，RMS為面形的均方根值。圖3中的最大位移為0.005 54mm，PV值為2.665 7nm，RMS為0.367 7nm；圖4中的最大位移為0.011 2mm，PV值為3.003 4nm，RMS為0.508 9nm；圖5中的最大位移為0.023mm，PV值為3.627 3nm，RMS為0.463 3nm。

可見，主反射鏡組件在自重和溫度影響下，最大面形RMS為0.508 9nm，小于1×10-3，反射鏡最大位置變化為0.023mm，小于光學(xué)系統(tǒng)公差要求的0.04mm。驗(yàn)證了這種多點(diǎn)柔性球鉸支撐具有較好的卸載作用，能夠保證反射鏡在空間環(huán)境中面形的穩(wěn)定[7-8]。

反射鏡裝框后，在針對(duì)不同方向和不同溫度（18℃～22℃）環(huán)境對(duì)反射鏡進(jìn)行了面形檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示，反射鏡面形RMS為狀況前后的測(cè)試結(jié)果均為2×10-2，保持不變，進(jìn)一步驗(yàn)證了反射鏡支撐結(jié)構(gòu)具有較好的應(yīng)力卸載能力。

另外，根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，反射鏡組件基頻為211Hz，具有較高的設(shè)計(jì)剛度，能夠滿足發(fā)射段環(huán)境要求。

3 主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

相機(jī)主體結(jié)構(gòu)為相機(jī)各重要部組件提供可靠的支撐，保證光學(xué)系統(tǒng)所要求的各光學(xué)元件與像面之間準(zhǔn)確的位置關(guān)系，因此，主體結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)是在一定的體積和質(zhì)量條件下，滿足高剛度、高力學(xué)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

相機(jī)主體結(jié)構(gòu)采用鈦合金整體鑄造框的形式，設(shè)計(jì)過程中采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，得到具有較好比剛度的結(jié)構(gòu)布局形式，如圖7所示。在主體結(jié)構(gòu)輕量化詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中，利用尺寸優(yōu)化技術(shù)對(duì)各加強(qiáng)筋及面板的厚度進(jìn)行優(yōu)化，使其比剛度進(jìn)一步提高。

相機(jī)主體仿真結(jié)果如圖8所示：1階模態(tài)為151Hz，振型是沿著Y向的擺動(dòng)，2階模態(tài)是246Hz，振型是沿著Z向的擺動(dòng)。結(jié)構(gòu)相機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果為1階模態(tài)146Hz，方向是Y向，2階模態(tài)260Hz，方向是Z向，設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且能夠滿足衛(wèi)星要求。

另外，相機(jī)主體隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，主鏡組件、三鏡組件、折轉(zhuǎn)鏡組件及次鏡組件等測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)均方根放大倍數(shù)均不超過3，主體結(jié)構(gòu)具有較好的動(dòng)力學(xué)特性，能夠保證相機(jī)經(jīng)過發(fā)射段入軌后反射鏡位置關(guān)系穩(wěn)定性。

4 相機(jī)柔性卸載裝星設(shè)計(jì)

多光譜相機(jī)采用三反離軸光學(xué)系統(tǒng)形式，對(duì)反射鏡間的角度關(guān)系要求較高（光學(xué)公差要求小于10″）。相機(jī)主體與衛(wèi)星頂部構(gòu)架的熱耦合分析顯示：當(dāng)相機(jī)主體與載荷艙頂部構(gòu)架直接連接情況下，如果相機(jī)主體與頂部構(gòu)架出現(xiàn)5℃的溫度差，熱變形引起的相機(jī)反射鏡角度變化將超出光學(xué)系統(tǒng)公差要求范圍（約為40″），直接影響多光譜相機(jī)的成像品質(zhì)和內(nèi)方位元素，為了提高相機(jī)主體的環(huán)境適應(yīng)性，在相機(jī)與衛(wèi)星之間采用了柔性熱卸載裝星設(shè)計(jì)。

卸載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用柔性鉸鏈原理，通過在4個(gè)安裝腳處合理選擇自由度釋放方向使其具有一定程度的熱變形卸載能力[9-10]，如圖9所示。

根據(jù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定的結(jié)構(gòu)形式，建立有限元模型，結(jié)合數(shù)值計(jì)算手段對(duì)柔性卸載結(jié)構(gòu)的卸載性能進(jìn)行分析，分析的工況是相機(jī)20℃不變，衛(wèi)星溫度由20℃升高到35℃，即相機(jī)與衛(wèi)星之間存在15℃的溫差，計(jì)算結(jié)構(gòu)變形后各反射鏡相對(duì)于原來位置的角度變化情況，結(jié)果如表1所示：

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為直接驗(yàn)證柔性卸載結(jié)構(gòu)的卸載能力，進(jìn)行了相機(jī)在軌熱穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室溫度控制在（20±1）℃，相機(jī)與艙板在該溫度下進(jìn)行裝配，試驗(yàn)時(shí)相機(jī)主體溫度不變。為了更大范圍的驗(yàn)證不同溫度情況下的卸載能力，艙板溫度通過主動(dòng)溫控手段由20℃分別升到35℃和40℃，使相機(jī)與安裝結(jié)構(gòu)間溫差達(dá)到20℃。過程中測(cè)試相機(jī)各反射鏡的角度變化，為了排除相機(jī)支架整體角度變化對(duì)反射鏡角度的影響，通過測(cè)量次鏡和三鏡相對(duì)于主鏡的角度變化，得到的結(jié)果見表2：

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試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致，反射鏡傾斜角度滿足光學(xué)設(shè)計(jì)要求，柔性卸載結(jié)構(gòu)較好的實(shí)現(xiàn)了熱變形卸載功能，保證了相機(jī)在軌熱穩(wěn)定性及較強(qiáng)的溫度適應(yīng)性。

5 多光譜相機(jī)高穩(wěn)定性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用多種穩(wěn)定性設(shè)計(jì)措施的相機(jī)環(huán)境適應(yīng)能力，從相機(jī)傳函及內(nèi)方位元素性能層面進(jìn)一步驗(yàn)證其良好的穩(wěn)定性能，在多光譜相機(jī)研制過程中的振動(dòng)試驗(yàn)前后以及熱真空試驗(yàn)后，對(duì)相機(jī)內(nèi)方位元素及傳函進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

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根據(jù)總體要求，相機(jī)的視主點(diǎn)的標(biāo)定精度為5μm（0.5像元），視主距的標(biāo)定精度為優(yōu)于20μm，相機(jī)全視場平均傳函（MTF）優(yōu)于表4中所示的指標(biāo)要求。由結(jié)果可以看振動(dòng)試驗(yàn)前后，相機(jī)視主點(diǎn)及視主距變化量均在測(cè)試誤差范圍內(nèi)，相機(jī)傳函測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定且滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

多光譜相機(jī)主體熱真空試驗(yàn)中，為了驗(yàn)證相機(jī)對(duì)衛(wèi)星溫度環(huán)境的適應(yīng)能力安排了相機(jī)安裝底板與相機(jī)間的溫度拉偏測(cè)試，試驗(yàn)過程相機(jī)溫度為20℃，底板從10℃～30℃范圍進(jìn)行溫度拉偏，分別測(cè)試了不同溫度點(diǎn)的相機(jī)B2譜段的傳函值，結(jié)果顯示相機(jī)B2譜段的傳函變化范圍在0.37～0.39，滿足設(shè)計(jì)要求，且基本無變化，

通過以上測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，多種穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效地保證了多光譜相機(jī)在軌復(fù)雜溫度環(huán)境下的良好成像能力和性能穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

本文從影響相機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)著手，介紹了反射鏡的消應(yīng)力支撐設(shè)計(jì)、主體結(jié)構(gòu)的高力學(xué)性能設(shè)計(jì)和裝星熱卸載設(shè)計(jì)，最后對(duì)整臺(tái)相機(jī)進(jìn)行了分析及試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過以上多種穩(wěn)定性設(shè)計(jì)技術(shù)的采用，保證了多光譜相機(jī)有良好的力學(xué)和熱穩(wěn)定性，從而確保相機(jī)在軌的成像品質(zhì)和較高的幾何定位精度。

（References）

[1] Bugene K T.Tolerance and Techniques in High Precision Optical Assembly[J].Appl Opt，1982，3：113-118.

[2] 盧威，傅丹鷹，陶家生.基于有限元法的離軸TMA結(jié)構(gòu)選型分析[J].航天返回與遙感，2007，28（2）：34-38.LU Wei，F(xiàn)U Danying，TAO Jiasheng.Structural Configuration Analysis of Off-axis TMA Based on Finite Element Method[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing，2007，28（2）：34-38.（in Chinese）

[3] John G H，Hayes P，Crooke J，et al.High-stability，Cryogenic-compatable Beamsplitter Mounts for the Composite Infrared Spectrometer （CIRS）for the Cassini to Saturn[R].NASA Goddard Space Flight Center，Optics Branch Code 717 Greenbelt，MD 20771.

[4] 曾勇強(qiáng)，傅丹鷹，孫紀(jì)文，等.空間遙感器大口徑反射鏡支撐結(jié)構(gòu)型式概述[J].航天返回與遙感，2006，27（2）：18-27.ZENG Yongqiang，F(xiàn)U Danying，SUN Jiwen，et al.Summary of Support Structure Patterns of Large Mirror for Space Remote Sensor[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing，2006，27（2）：18-27.（in Chinese）

[5] 邵登云.基于熱-結(jié)構(gòu)耦合的光學(xué)系統(tǒng)熱影響分析[D].西安電子科技大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，2010.SHAO Dengyun.The Analysis of Thermal Impact for Optical System Based on Thermal-structure Coupled Theory[D].Xi’an University of Electronic Science and Technology，Mechanical Design and Theory，2010.（in Chinese）

[6] 顧元憲，陳飚松，張洪武．結(jié)構(gòu)熱振動(dòng)的耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)[C]．固體力學(xué)會(huì)議論文集，2002．GU Yuanxian，CHEN Biaosong，ZHANG Hongwu.Structural Design for Coupled Thermal-vibration Optimization[C].Solid Mechanics Conference Proceedings.2002.（in Chinese）

[7] 程樂錦，薛明德，唐羽燁，等.大型空間結(jié)構(gòu)的熱-結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21（2）：1-10.CHENG Lejin，XUE Mingde，TANG Yuye，et al.Thermal-Dynamic Analysis of Large Scale Space Structures by FEM[J].Chinese Journal of Applied Mechanics，2004，21（2）：1-10.（in Chinese）

[8] 楊懌，張偉，陳時(shí)錦，等.光機(jī)熱集成分析中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口的研究[J].宇航學(xué)報(bào)，2005，26（2）：83-87.YANG Yi，ZHANG Wei，CHEN Shijin，et al.Study on Data Transmission Tool for Thermal/Structural/Optical Integrated Analysis[J].Journal of Astronautics，2005，26（2）：83-87.（in Chinese）

[9] 吳鷹飛，周兆英.柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].工程力學(xué)，2002，12（6）：136-140.WU Yingfei，ZHOU Zhaoying.Design and Analysis of Flexure Hinges[J].Engineering Mechanics，2002，12（6）：136-140.（in Chinese）

[10] 于靖軍，裴旭，畢樹生，等.柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（13）∶2-13.YU Jingjun，PEI Xu，BI Shusheng，et al.State-of-the-arts of Design Method for Flexure Mechanisms[J].Joural of Mechanical Engineering，2010，46（13）∶2-13.（in Chinese）