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本节在对设计技术要求和约束条件进行分析的基础上,对异形轻量化铝反射镜的各类设计要素进行分析和归纳。
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异形轻量化铝反射镜结构设计需要考虑的技术要求和约束条件包括光学面性能要求、布局要求、几何精度要求、稳定性要求、刚度要求、强度要求和重量要求,表1对这些要求的具体内容进行了说明。
表 1技术要求和约束条件
Table 1.Technical requirements and constraints
项 目 具体内容 光学面性能要求 铝镜产品在经过加工、镀膜、安装等环节后,光学面面形精度、表面粗糙度仍应满足要求 布局要求 各铝镜光学面、安装面布局和结构外形,应保证不发生结构干涉或结构与光路干涉,并且满足铝镜及主结构框的加工工艺性、装调工艺性要求 几何精度要求 经过加工、装调后,铝镜光学面在系统中的位置和方向应满足要求 稳定性要求 铝镜产品在完成加工后,经过长期储存、使用,光学面面形、光学面在系统中的位置和方向,变化量应足够小,满足稳定性要求 刚度要求 铝镜产品应具有适当的结构刚度,满足加工工艺性要求;同时满足发射段力学环境要求、重力变形等要求 强度要求 铝镜产品在经历地面、发射段力学环境时,不发生破坏 重量要求 满足各项要求的前提下,尽量进行轻量化设计 -
异形轻量化铝反射镜技术按研制流程可分为设计、加工、测试、装调等多个方面。铝镜设计需综合考虑多种因素:光学性能要求、布局要求、测试装调可操作性、装配变形卸载设计、轻量化设计、加工单位的工程经验和技术能力、加工工艺性、装调中的误差补偿等。
本文对复杂空间光机系统中可能出现的各种铝镜形式进行了总结,对各类设计要素进行了归纳和分析,主要包括材料选择、构型设计、装配变形卸载方式、轻量化设计、表面镀层5个方面,如图6所示。
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为了验证本文所提方法的有效性,本节以某空间光谱仪中包括异形铝反射镜在内的多个铝反射镜的结构设计为例,给出了利用上述方法对异形铝反射镜进行结构设计的详细过程。
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铝镜材料和毛坯选择主要有3种方案:锻铝6061 T651;RSA-6061 T6;铸铝。其中,铸铝毛坯材料牌号可为356-T6、Tenzalloy Aluminium等。在长期稳定性方面,铸铝毛坯制作的铝镜在一年内面形变化可能超过一个波长(633 nm),因此不建议采用铸铝方案。铝合金6061材料(含镁1.0%、铁0.7%、硅0.6%、铜0.3%)有较好的长期稳定性,是目前铝镜的主要材料,具体型号为6061 T651。RSA(Rapid Solidification Aluminum)-6061是一种新型材料,与普通6061铝合金相比,成分基本一致,但如图7所示,RSA-6061的致密性更好,组织粒度细微,有更为均匀的弹性模量和硬度分布,有利于加工得到更优的表面粗糙度。表2给出了铝合金6061和RSA-6061 T6两种材料的机械特性参数。
表 2铝镜材料机械特性
Table 2.Mechanical properties of materials
牌号 密度/
(g·m−3)弹性模
量/GPa极限拉
伸强度/MPa屈服强
度/MPa断后伸
长率/%硬度/
HB6061 T651 2.70 70 310 276 12 95 RSA-6061 T6 2.70 70 330 295 10 100 表3给出了3种材料在尺寸稳定性、微观结构、成本和供货周期方面的对比。
表 3材料性能对比
Table 3.Material performance comparison
材料名称 尺寸稳定性 微观结构 成本 供货周期 铸铝 较差 一般 低 6061 T651 好 致密性好,组织
粒度大、均匀性差低 现货,2周 RSA-6061 T6 好 致密性好,组织
粒度细微、均匀性好高 需定制,2个月 从表3可以看出,对于口径较大(大于460 mm)的铝镜,考虑到材料成本和可获得性,可采用铝合金6061 T651。对于口径相对较小的铝镜,材料费在整个加工费用中占比较小,可采用RSA-6061。对于表面粗糙度指标低于5 nm的部分铝镜产品,采用RSA-6061材料,可在铝基底上直接加工实现该表面粗糙度指标。
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铝反射镜构型设计的主要任务是确定光学面的形状和大小、安装面的位置、形式和大小、光学面与安装面间的连接形式等。
由于该光谱仪光学系统较为复杂,且对体积、重量有严苛约束,导致光路空间布局复杂,在有限体积中交叉折叠,为了实现光路折转,需要数量众多的反射镜,并通过若干球面反射镜、柱面反射镜等元件实现光焦度。本文采用了铝镜构型与主承力框一体化设计方法,对铝反射镜的布局、构型进行灵活设计,如图8所示。
铝镜光学面的位置和方向需满足光学系统要求。光学系统在各光学面的脚印多为狭长矩形,为了实现紧凑、轻量化,铝镜光学面也采用狭长口径设计,基于光学脚印,适当选择口径余量,减小无用重量。
主承力框采用高集成的薄壁式框架结构,为包括铝镜在内的众多光学件提供支撑。为降低过约束及装配应力的影响,增强系统稳定性,铝镜安装面设计全部采用三点支撑。铝镜安装面设置在铝镜一侧,主要考虑铝镜刚度、铝镜的加工可实现性;在主承力框一侧还需考虑加工通路、铣削加工精度保证、检测通路、装调操作空间、深腔加工工艺性等因素。
铝镜光学面与安装面的空间几何关系,涉及平行、垂直、倾斜3种。一般情况下,优先选择光学面与安装面平行安装,具有结构紧凑、装调便利、悬臂短、力学特性好等优点;但是考虑光学面布局及主承力框加工限制,则需根据各个铝镜实际情况,灵活确定安装面位置和方向。在本文中,如图9所示,折镜1采用了光学面与安装面平行的安装方式;折镜7采用了光学面与安装面垂直的安装方式;折镜6采用了光学面与安装面倾斜的安装方式。由于体积限制,在某些特殊情况下,也可在同一件铝镜上集成两个倾斜反射面,例如折镜10,就采用了集成两个倾斜反射面的安装方式。
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由于实际加工得到的铝镜安装面和主承力框安装面均存在平面度误差,安装时会产生装配应力和变形,传导到镜面将引起面形精度下降,因此铝镜设计应考虑对装配变形的卸载方式,本文主要分析对比了两种方案:柔性耳片结构和蘑菇型结构。
1)柔性耳片结构
柔性耳片结构通过在安装耳附近设计卸载槽,降低安装应力影响。表4给出了典型柔性耳片结构的有限元仿真结果,该仿真结果表明,在重力工况和强迫位移工况下,柔性耳片卸载结构装配变形卸载能力一般,结构刚度一般,加工工艺性较差。
表 4耳片卸载结构仿真结果
Table 4.Simulation results of ear piece unloading structure
典型铝镜柔性耳片结构 基频/Hz 载荷 面形 PV(λ) RMS(λ) 1001 自重分析 Z向 1 g 0.206 3 0.046 8 强迫位移 连接孔3处0.015 mm 0.675 0 0.148 7 1432 自重分析 Z向 1 g 0.251 9 0.027 9 强迫位移 连接孔3处0.015 mm 0.940 8 0.222 3 1668 自重分析 Z向 1 g 0.197 4 0.041 6 强迫位移 连接孔3处0.015 mm 0.654 9 0.115 5 注:λ为测试波长,λ= 632.8nm。 2)蘑菇型结构
蘑菇型结构为在安装底板和镜面间采用截面较小的颈状过渡结构,可有效降低安装应力对镜面面形的影响。表5对典型铝镜蘑菇型结构进行了有限元仿真分析,仿真结果表明,在重力工况和强迫位移工况下,蘑菇型卸载结构装配变形卸载能力较好,结构刚度好,加工工艺性好。蘑菇型卸载结构相比柔性耳片结构,具有更好的性能。
表 5蘑菇型卸载结构仿真结果
Table 5.Simulation results of mushroom unloading structure
典型铝镜蘑菇型结构 载荷 未去Power 去Power PV(λ) RMS(λ) PV(λ) RMS(λ) 自重分析 Z向 1 g 0.367 0.112 0.093 0.021 强迫位移 连接孔1处0.015 mm 0.308 0.083 0.156 0.031 连接孔3处0.015 mm 0.396 0.09 0.335 0.077 自重分析 Z向 1 g 0.069 0.021 0.042 0.008 强迫位移 连接孔1处0.015 mm 0.005 0.001 0.004 0.001 连接孔3处0.015 mm 0.060 0.011 0.06 0.011 -
铝反射镜在构型设计时,通过采用长方形光学面、紧凑化布局设计,已实现了一部分轻量化工作;但为了充分减轻重量,并获得良好的动力学特性,还需进行专门的轻量化结构设计,通过设置减轻槽、孔或采用镂空结构,实现材料的合理布置,充分减重,并保证足够的结构刚度。
铝镜轻量化结构设计可归纳为背部减轻槽、中性面通槽和中空轻量化结构3种方案,表6对这3种方案的轻量化率、结构刚度和加工工艺进行了比较。
表 6铝镜轻量化设计方案
Table 6.Lightweight design scheme of aluminum mirror
方案 结构形式 轻量化率 结构刚度 加工工艺 1 背部减轻槽 较好 一般 简单 2 中性面通槽 较差 较好 简单 3 中空轻量化结构 最好 好,但设计难度大 复杂 当铝镜口径较大,且镜体外形较为规则时,可采用在中性层通过慢走丝加工通槽的方式进行减重,保留镜体前后面板,具有较好的结构刚度。图10为指向镜采用中性层通槽的方案进行减重的设计实例,其轻量化率可达54%。
如采用中空轻量化结构,需通过多轴机床加工,刀具从后面板小孔进入进行各方向铣削,实现中空薄壁结构,具有最优的重量和结构刚度特性;但不足是设计难度大、工艺复杂,对加工设备和加工工艺有一定要求。
当铝镜为中小口径,且光学面与安装面关系复杂时,可综合应用镜体或安装板背部减轻槽、蘑菇头镂空、悬臂中空等多种形式的轻量化方案。图11为对折镜6进行轻量化设计的实例,通过综合优化,其轻量化率可达82%。
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由于铝合金材料具有微观上的多孔性和较差的抛光特性,当光学面的面形精度、表面精度要求较高时,可在光学面完成精加工后,表面镀镍磷层,以获得较好的抛光特性,获得更好的表面粗糙度性能。
但表面镍磷镀层与铝基底热胀系数不匹配,会引起双金属效应,温度变化时产生的热变形将降低光学面面形精度,导致铝镜不能用于工作温度变化较大的场景。如果将整个镜体前后表面均镀镍磷层,可平衡掉一部分双金属效应,但镀镍后的镜体发黑工艺复杂,不利于杂散光抑制,降低系统性能。铝镜光学面的镀层方案及性能比较如表7所示。
表 7光学面镀层方案比较
Table 7.Comparison of optical surface coating schemes
方案 光学面镀层 抛光工艺 工艺复杂性 双金属效应 可实现表面
粗糙度Ra1 光学面镀镍磷层 可采用磁流变MRF抛光 较复杂 有 ≤2 nm 2 镜体头部镀镍磷层 可采用磁流变MRF抛光 较复杂 有所
改善≤2 nm 3 不镀镍磷层 不能采用MRF抛光,可采用传统抛光 简单 无 ≤5 nm 如镀镍磷层,需先通过有限元仿真评估双金属效应对光学面面形的影响。镍磷层厚度越厚,双金属效应对面形精度影响越大,因此在满足工艺要求前提下,应将最终产品的镍磷层厚度控制在20 μm以下。
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通过上述方法完成了某光谱仪所有铝反射镜的设计、加工、检测、系统装调等工作。所有铝镜轻量化率均在50%以上。图12为折镜10的实物图,在同一件铝镜上,实现了2个光学面。图13为利用4D动态波面干涉仪进行铝镜面形检测的实验图。
图14为折镜6的面形实测数据,检测结果PV值为0.313λ,RMS为0.049λ。图15为折镜6的粗糙度实测数据,表面粗糙度为0.577 nm。
A New Structural Design of Special-Shaped Lightweight Aluminum Mirror for Space Spectrometer
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摘要:针对多通道探测,体积、质量要求严苛,光路在空间中交叉折叠,反射镜数量多,易发生干涉的复杂光机系统中铝反射镜结构设计和轻量化需求,提出了一种新型空间光谱仪用异形轻量化铝反射镜结构设计方法,包括材料选择、构型设计、装配变形卸载方式、轻量化设计方法、表面镀层、测试和检测等关键技术。对某空间光谱仪的研制和测试验证表明,利用本文方法设计的所有铝镜均能满足系统性能要求,且轻量化率均优于50%。本文方法可适用于涉及铝反射镜的多种类型空间光机系统,可为其中铝反射镜设计和紧凑化光机系统设计提供参考。Abstract:The lightweight structure design of aluminum mirrors is a difficult problem in the complex optical mechanical system with multi-channel detection, large number of mirrors, strict requirements for volume and quality, cross folding of optical paths in space, short distance of optical components, and easy interference. Either traditional methods have high lightweight rate, but the process is complex, or the lightweight rate is limited. For solving these problems, a new structural design method of special-shaped lightweight aluminum reflectors for space spectrometer is proposed, which includes material selection, configuration design, assembly deformation unloading, lightweight design method, surface coating, detection and error compensation, The experimental verification of a space spectrometer shows that the lightweight rate of all aluminum mirrors designed by this method is better than 50%. The development and test of a space spectrometer show that all aluminum mirrors designed by this method can meet the requirements of the system, and the lightweight rate is better than 50%.This method can be applied to various types of space opto-mechanical systems involving aluminum mirrors, and can provide reference for aluminum mirror design and compact opto-mechanical system design.Highlights
● A new light and small aluminum mirror structure design method for space spectrometer and mechanical systems is proposed. ● The configuration design, assembly deformation and unloading mode analysis, lightweight design method. The aluminum mirrors of a hyperspectral remote spectrometer are designed to verify the effectiveness of the method. ● Different load-bearing structures and weight reduction designs are designed for different mirrors, so that the weight of this high complexity and multi temperature spectrometer is reduced by 50% while the accuracy remains unchanged. -
表 1技术要求和约束条件
Table 1Technical requirements and constraints
项 目 具体内容 光学面性能要求 铝镜产品在经过加工、镀膜、安装等环节后,光学面面形精度、表面粗糙度仍应满足要求 布局要求 各铝镜光学面、安装面布局和结构外形,应保证不发生结构干涉或结构与光路干涉,并且满足铝镜及主结构框的加工工艺性、装调工艺性要求 几何精度要求 经过加工、装调后,铝镜光学面在系统中的位置和方向应满足要求 稳定性要求 铝镜产品在完成加工后,经过长期储存、使用,光学面面形、光学面在系统中的位置和方向,变化量应足够小,满足稳定性要求 刚度要求 铝镜产品应具有适当的结构刚度,满足加工工艺性要求;同时满足发射段力学环境要求、重力变形等要求 强度要求 铝镜产品在经历地面、发射段力学环境时,不发生破坏 重量要求 满足各项要求的前提下,尽量进行轻量化设计 表 2铝镜材料机械特性
Table 2Mechanical properties of materials
牌号 密度/
(g·m−3)弹性模
量/GPa极限拉
伸强度/MPa屈服强
度/MPa断后伸
长率/%硬度/
HB6061 T651 2.70 70 310 276 12 95 RSA-6061 T6 2.70 70 330 295 10 100 表 3材料性能对比
Table 3Material performance comparison
材料名称 尺寸稳定性 微观结构 成本 供货周期 铸铝 较差 一般 低 6061 T651 好 致密性好,组织
粒度大、均匀性差低 现货,2周 RSA-6061 T6 好 致密性好,组织
粒度细微、均匀性好高 需定制,2个月 表 4耳片卸载结构仿真结果
Table 4Simulation results of ear piece unloading structure
典型铝镜柔性耳片结构 基频/Hz 载荷 面形 PV(λ) RMS(λ) 1001 自重分析 Z向 1 g 0.206 3 0.046 8 强迫位移 连接孔3处0.015 mm 0.675 0 0.148 7 1432 自重分析 Z向 1 g 0.251 9 0.027 9 强迫位移 连接孔3处0.015 mm 0.940 8 0.222 3 1668 自重分析 Z向 1 g 0.197 4 0.041 6 强迫位移 连接孔3处0.015 mm 0.654 9 0.115 5 注:λ为测试波长,λ= 632.8nm。 表 5蘑菇型卸载结构仿真结果
Table 5Simulation results of mushroom unloading structure
典型铝镜蘑菇型结构 载荷 未去Power 去Power PV(λ) RMS(λ) PV(λ) RMS(λ) 自重分析 Z向 1 g 0.367 0.112 0.093 0.021 强迫位移 连接孔1处0.015 mm 0.308 0.083 0.156 0.031 连接孔3处0.015 mm 0.396 0.09 0.335 0.077 自重分析 Z向 1 g 0.069 0.021 0.042 0.008 强迫位移 连接孔1处0.015 mm 0.005 0.001 0.004 0.001 连接孔3处0.015 mm 0.060 0.011 0.06 0.011 表 6铝镜轻量化设计方案
Table 6Lightweight design scheme of aluminum mirror
方案 结构形式 轻量化率 结构刚度 加工工艺 1 背部减轻槽 较好 一般 简单 2 中性面通槽 较差 较好 简单 3 中空轻量化结构 最好 好,但设计难度大 复杂 表 7光学面镀层方案比较
Table 7Comparison of optical surface coating schemes
方案 光学面镀层 抛光工艺 工艺复杂性 双金属效应 可实现表面
粗糙度Ra1 光学面镀镍磷层 可采用磁流变MRF抛光 较复杂 有 ≤2 nm 2 镜体头部镀镍磷层 可采用磁流变MRF抛光 较复杂 有所
改善≤2 nm 3 不镀镍磷层 不能采用MRF抛光,可采用传统抛光 简单 无 ≤5 nm -
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