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空间碎片测距与成像复合系统如图1所示,其中主要由光学望远镜、碎片普查单元、精跟踪成像单元、单光子激光测距发射单元、测距计时单元、激光测距接收单元、光谱探测单元、精跟踪振镜、光谱分光镜、能量分光镜以及反射镜组成。
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整体光路原理如图2所示:搜索阶段,使用普查系统与转台对碎片所在的不确定区域进行扫描,发现初步位置,由信息处理分系统发出驱动指令,由转台分系统接收指令,进行指向;指向与粗跟踪阶段,根据普查相机中目标的位置驱动转台进行精确指向,根据目标脱靶量,确定转动角度、速度,进行稳定跟踪,令目标一直保持在精跟踪视场内。
图 2 空间碎片探测与测距复合系统光路原理图
Figure 2. Principle diagram of the optical path of the space debris detection and ranging composite system
精跟踪阶段,根据精跟踪相机CCD视场内接收到碎片的反射光,利用电磁快反镜补偿转台粗跟踪的残差,实现稳定跟踪,令碎片目标稳定跟踪在光谱探测与测距的有效区域内。
测距与探测阶段,测距发射单元发射激光脉冲,利用测距计时单元与测距接收单元测量发出与回波的时间,计算碎片的距离信息。同时根据精跟踪视场内目标光斑所占像元数的数量及位置,计算碎片的大小与形状,配合使用光谱仪进行目标碎片的光谱信息的探测,确定碎片的材质与物理特性[5]。
在空间碎片测距与成像复合系统中,光学望远镜不仅起到了光束缩束作用,而且决定着整个系统的成像质量[6]。但由于现有转台对光学基台尺寸限制以及对光学望远镜进行尾部安装的特殊要求,导致重心距望远镜安装面过远,大大增加了其设计难度,对其在装调、检测、室外实验验证期间的性能提出更严峻的要求。另外系统需要兼顾可见光与中波红外双波段,因此具体技术指标如表1所示。
表 1 光学望远镜性能技术指标
Table 1. Technical specificatons optical telescope
Item Technical index requirements Effective aperture of optical system 250 mm Surface accuracy RMS of main mirror assembly ≥λ/40 System wave aberration RMS ≥λ/10 Primary and secondary mirror spacing error ≤0.02 mm Primary and secondary mirror tilt ≤3″ Secondary mirror and bracket blocking ratio ≤7% Optical antenna fundamental frequency ≥120 Hz Optical antenna quality ≤10 kg -
光学机械结构件常用材料如表2所示。光学望远镜结构件选择主要从材料的力学性能及热稳定性等来综合考虑。一般主要选用高比刚度以及热稳定性系数大的材料。国内外常用铍、铝、微晶玻璃、碳化硅作为镜坯材料。作为反射镜材料的备选,表2给出了反射镜以及主镜支撑组件候选材料属性。
表 2 光学望远镜材料属性
Table 2. Material properties of optical telescope
Material $\rho /{g}\cdot {\rm cm}^{-3}$ $ E/\rho $ Thermal stability $ \mu $ $ \mathrm{\alpha }/ $℃ Zerodur 2.53 3.58 32.8 0.23 0.05$ \times {10}^{-6} $ Be 1.85 15.6 19.12 0.26 11.3$ \times {10}^{-6} $ RB-SIC 3.5 10.6 60.7 0.29 2.6$ \times {10}^{-6} $ Al 2.68 2.55 7.1 0.33 23.6$ \times {10}^{-6} $ ULE 2.21 3.08 87.3 0.17 0.015$ \times {10}^{-6} $ TC4 2.53 4.44 29.49 0.23 8.9$ \times {10}^{-6} $ 4J32 8.1 17 46.33 0.26 0.3$ \times {10}^{-6} $ 4J36 8.05 18 8.25 0.29 1.26$ \times {10}^{-6} $ 2A12 2.9 27 7.1 0.33 23.6$ \times {10}^{-6} $ 60SiC/Al 3.02 71 25.88 0.17 8.5$ \times {10}^{-6} $ 结合该系统地面演示验证实验工作环境要求,对于主镜材料来说,SiC材料虽然比刚度高且热稳定好,但硬度大,光学抛光周期长、成本高,ULE低膨胀玻璃特性略逊于ZERODUR;望远镜孔径为250 mm,外场试验温差大,因此在设计过程中,必须考虑其轻量化以及热稳定性[9]。ZERODUR微晶玻璃具有良好的热稳定性与较低的密度,其光学加工性能、机械加工性能与稳定性综合对比相对较好,因此综合考虑选用ZERODUR微晶玻璃作为主镜与次镜的镜体材料[10]。
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根据主镜支撑位置的方式不同,主镜支撑可分为中心支撑、周边支撑以及背部支撑三种方式,考虑到地面演示验证时外场环境多变,温度不稳定,主镜对温度的变化十分敏感,因此采用中心单点支撑方式。当环境温度变化时不会像多点支撑以及周边支撑发生热变形导致相互干涉。另一方面在安装调试阶段,中心支撑的反射镜自由度更高,降低了光学装校精度的要求,可以大大简化支撑结构的设计,中心支撑结构如图5所示。在结构材料的选择上,为了避免由于材料膨胀系数不匹配对面型精度的影响,铟钢(Invar4J32)材料线膨胀系数可调, 能够调整到与ZERDUR材料的线胀系数只差0.2×10−6/℃,因此与微晶粘接的锥套选用线膨胀系数可调的铟钢(4J32),保证主镜组件的结构轻量化,与铟钢连接的柔性支撑采用比刚度较好、线膨胀系数相对较低且更适合作为柔性支撑结构的钛合金[11]。
主镜作为光学望远镜的核心组成部件,其安装、装配及定位精度将直接影响反射镜的面型,从而影响探测的成像质量。为保证在外场试验条件下主镜面型仍满足指标要求,主镜柔性支撑结构作为连接安装背板与主镜体的主要部件,必须具有良好的动、静态力学性能和热性能,能够很好地吸收、隔离安装应力以及温度变化产生的应力,以保证环境条件变化时反射镜具有足够好的稳定性。将主镜组件在(20±10) °C条件下的面型误差RMS值、主镜组件的固有频率作为设计指导,采用径向与轴向双向开槽方式,如图6所示,法兰轴向开槽,隔离安装应力,侧壁径向开槽隔离热变形应力,进一步提高了支撑结构对于应力的隔离与吸收[12]。根据圆弧形柔性支撑结构转动刚度的计算公式[9]以及利用ANSYS对主镜组件进行模态和热力学分析确定柔性支撑参数如下:安装法兰切口深度为1.5 mm,柔性支撑环形槽口宽度为2 mm,切槽角度为80°,对主镜组件进行热力耦分析,在(20°±10) °C以及光轴方向1 g重力条件下,主镜组件的面型误差与最大变形量如图7所示,面型误差RMS值为λ/52,最大变形量为0.0045 mm。对主镜组件进行模态分析,前三阶模态结果如图8所示,其中一阶频率为218 Hz,主镜组件满足系统刚度以及面型误差要求。
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反射镜的径厚比直接影响镜体的力热稳定性及轻量化程度,镜体太薄会导致整体刚度小,易发生弯曲;镜体太厚使质量过大,不利于轻量化。主镜背部轻量化形式主要有三角形蜂窝板、圆形蜂窝板、正六边形蜂窝板,如图9所示。
该系统通光口径为250 mm,实际设计的外径应比光学设计尺寸单边多5 mm用作加工余量。因此设计主镜直径为260 mm。对于近圆形反射镜:
$$ \delta = \frac{3}{{16}}\frac{{q{D^4}}}{{E{h^3}}}(1 - {\nu ^2})\frac{{5 + \nu }}{{1 + \nu }} $$ (1) 式中:δ表示反射镜最大自重变形(µm);D表示圆盘半径;E表示材料杨氏模量;q表示每单位面积的负载;v表示材料的泊松比;总负荷可表示为qπD2/4。
对于指定材料,反射镜的刚度正比于h2/D2,即:
$$ {\text{刚度}}\propto \frac{{{h}}^{3}}{{{D}}^{3}} $$ (2) 从公式(1)中可以看出,反射镜的自重变形与镜厚比及反射镜外径的平方成正比,与材料的杨氏模量成反比,因此确定镜厚比要根据实际情况以及经验性去选择设计,根据经验公式(1)确定厚度为40 mm,此时镜厚比为1∶6.5,并考虑到背部支撑筋布置和中心支撑孔直径,选定加强筋板内切圆直径为26 mm,背部加强筋板厚度t=5 mm。在其蜂窝板结构单元内切圆相同的情况下,对比三种轻量化形式下的模态与主要质量参数,选择刚度好、稳定性强的轻量化形式[13]。
在加工过程中,为了使反射镜单个蜂窝单元的最大变形量达到一个允许的值,必须设计相应的镜面厚度
$ {t}_{f} $ ,由Vukobratovich的推论可知:$$ \delta = \varphi {\left[ {\frac{{Et_f^3}}{{12\left( { \vdash {v^2}} \right)}}} \right]^{ - 1}}{b^4}P$$ (3) 式中:δ为单个蜂窝单元的最大变形量,取 δ=λ/14(λ=632.8 nm);φ为与反射镜蜂窝单元形状有关的形状因子,取三角形φ1=0.0051,圆形φ2=0.00123,六边形φ3= 0.00111,υ−材料泊松比,取 υ=0.24;E为材料弹性模量,取 E=90.6 GPa;P为抛光压力,取P=67 kPa;b为加强筋板内切圆直径,b=26 mm。
将上述代入公式(3)计算,为了满足单个蜂窝单元的最大变形量δ≤λ/14(λ=632.8 nm),计算得到各轻量化形状最小厚度如表3所示,为了保证主镜具有足够的刚度和稳定性,选取镜面厚度为10 mm,利用有限元软件ANSYS对其三种轻量化结构形式进行模态分析,结果表明:三角形轻量化形式相比于圆形蜂窝板和正六边形型蜂窝板结构形具有更好的固有频率,随着模态阶数的增高,三角形结构形式的镜片在振动特性上相对其他两种形式镜片稳定性的优势更加明显。图10所示为三种不同形状的轻量化模型的前三阶模态,并将其用曲线形式进行更为直观的表达。
表 3 不同轻量化结构所需最小面板厚度
Table 3. Minimum panel thickness required for different lightweight structures
Structure type Triangle circle Hexagon Minimum thickness/mm 8.9 9.2 9.5 通过分析结果(表4)可以看出,三角形轻量化形式相对于其他俩种结构形式质量和体积稍大,但是三角形的模态比其他俩种形式要高很多,说明随着模态阶次的提高,三角形结构的稳定性以及振动特性比其他两种形式的优势更加明显,因此采用三角形蜂窝单元对主镜进行轻量化设计。
主镜加工后采用环氧胶对主镜粘接锥套,对主镜组件进行面型检测,如图11所示,面型误差RMS值为λ/50,满足系统波像差要求。
表 4 主镜轻量化分析结果表
Table 4. Lightweight analysis results of main mirror
Structure type First-order mode Second-order mode Third-order mode Quality/kg Lightweight rate Volume/mm3 Surface area/mm2 Triangle 2290.3 2290.5 2976 2.492 40.62% 9.95e+05 2.57e+05 Circle 2005.4 2010.2 2698 2.422 42.28% 9.58e+05 2.15e+05 Hexagon 1870.4 1890.6 2501 2.401 42.72% 9.54e+05 2.02e+05 -
针对光学望远镜尾部安装难点,次镜组件的位置稳定精度至关重要,同时次镜的稳定性也严重影响着系统的成像质量。因此对比次镜结构发现,三杆桁架与四杆桁架的次镜支撑方式在次镜刚体位移、倾角及轴向位移区别较小,三杆桁架比四杆桁架遮光率可降低9%左右,且该系统设计采用一体式次镜桁架,如图12所示:采用一体式结构能够有效提高次镜组件的整体刚度,同时加工时能够保证次镜室与主镜室安装位置的同轴度,并且选用铟钢(4J32)材料保证工作环境发生变化时主次镜间距变化最小,大大加强了次镜组件的刚度及稳定性,因此根据该系统的像质指标要求,选用次镜支撑三杆桁架。次镜组件中,次镜室同样采用铟钢材料与之匹配。次镜室轴向通过三个螺钉安装在次镜架上,通过修研垫片调节次镜的角度和位置。次镜室在径向通过次镜架上的四组主注胶孔与丝孔调节次镜的径向平移以及二维平移,调节完成后灌胶固定。
Optical telescope of space debris detection and ranging compound system
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摘要: 针对空间碎片探测与测距复合系统地面验证演示实验中,工作环境10~30 ℃、光学基台的尺寸限制(不超过450 mm×400 mm)以及光学望远镜尾部安装导致重心远离安装面的问题,提出了空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜的设计。使用ANSYS有限元分析软件对光学望远镜建立了有限元模型,针对环境温度10~30 ℃、尾部安装状态下、光轴方向和垂直光轴方向1 g (g=9.8 m/s2)重力加速度工况下进行了分析。分析结果表明:光学望远镜整机一阶模态为133 Hz动态刚度较好,重力为光轴方向时主次镜间距最大变化量0.01 mm,重力为垂直光轴方向时主次镜间距最大为0.007 mm,光学望远镜系统波像差RMS值为λ/15,次镜最大倾角1.93″,具有较好的力、热稳定性,可以满足光学天线装校、检测以及外场实验验证过程中的指标要求。在光学望远镜装校完成后,使用ZYGO干涉仪对其像质进行检测,在重力垂直于光轴方向、环境温度10、20、30 ℃条件下进行检测,结果显示:系统波像差RMS值分别为0.097λ、0.075λ及0.1λ,整机光学望远镜系统波像差RMS值在最低温与最高温度时均优于λ/10均满足系统使用要求。Abstract: In the ground verification demonstration experiment of the space debris detection and ranging composite system, the working environment is 10-30 ℃, the size limit of the optical base station (not exceeding 450 mm×400 mm) and the installation of the tail of the optical telescope cause the center of gravity to be far away from the mounting surface. Design of optical telescope for space debris detection and ranging compound system was proposed. The finite element model of the optical telescope was established by using ANSYS finite element analysis software. The analysis was carried out under the conditions of ambient temperature of 10-30 ℃, tail installation, optical axis direction and vertical optical axis direction of 1 g (g = 9.8 m/s2) gravity acceleration. The analysis results show that the first-order mode of the optical telescope is 133 Hz and the dynamic stiffness is better. When the gravity is in the direction of the optical axis, the maximum change in the distance between the primary and secondary mirrors is 0.01 mm. When the gravity is perpendicular to the optical axis, the maximum distance between the primary and secondary mirrors is 0.007 mm. The RMS value of the wave aberration of the optical telescope system is λ/15, and the maximum inclination angle of the secondary mirror is 1.93″. It has good power and thermal stability and can meet the index requirements in the process of optical antenna installation, calibration, testing and field experiment verification. After the optical telescope is assembled and calibrated, the image quality of the optical telescope is tested using a ZYGO interferometer. The test is performed under the conditions of gravity perpendicular to the optical axis and ambient temperature of 10 ℃, 20 ℃, and 30 ℃. The results show that the RMS value of the system wave phase difference is respectively at 0.097λ, 0.075λ and 0.1λ, the RMS value of the wave phase difference of the whole optical telescope system is better than λ/10 at the lowest temperature and the highest temperature, and all meet the requirements of the system.
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表 1 光学望远镜性能技术指标
Table 1. Technical specificatons optical telescope
Item Technical index requirements Effective aperture of optical system 250 mm Surface accuracy RMS of main mirror assembly ≥λ/40 System wave aberration RMS ≥λ/10 Primary and secondary mirror spacing error ≤0.02 mm Primary and secondary mirror tilt ≤3″ Secondary mirror and bracket blocking ratio ≤7% Optical antenna fundamental frequency ≥120 Hz Optical antenna quality ≤10 kg 表 2 光学望远镜材料属性
Table 2. Material properties of optical telescope
Material $\rho /{g}\cdot {\rm cm}^{-3}$ $ E/\rho $ Thermal stability $ \mu $ $ \mathrm{\alpha }/ $ ℃Zerodur 2.53 3.58 32.8 0.23 0.05 $ \times {10}^{-6} $ Be 1.85 15.6 19.12 0.26 11.3 $ \times {10}^{-6} $ RB-SIC 3.5 10.6 60.7 0.29 2.6 $ \times {10}^{-6} $ Al 2.68 2.55 7.1 0.33 23.6 $ \times {10}^{-6} $ ULE 2.21 3.08 87.3 0.17 0.015 $ \times {10}^{-6} $ TC4 2.53 4.44 29.49 0.23 8.9 $ \times {10}^{-6} $ 4J32 8.1 17 46.33 0.26 0.3 $ \times {10}^{-6} $ 4J36 8.05 18 8.25 0.29 1.26 $ \times {10}^{-6} $ 2A12 2.9 27 7.1 0.33 23.6 $ \times {10}^{-6} $ 60SiC/Al 3.02 71 25.88 0.17 8.5 $ \times {10}^{-6} $ 表 3 不同轻量化结构所需最小面板厚度
Table 3. Minimum panel thickness required for different lightweight structures
Structure type Triangle circle Hexagon Minimum thickness/mm 8.9 9.2 9.5 表 4 主镜轻量化分析结果表
Table 4. Lightweight analysis results of main mirror
Structure type First-order mode Second-order mode Third-order mode Quality/kg Lightweight rate Volume/mm3 Surface area/mm2 Triangle 2290.3 2290.5 2976 2.492 40.62% 9.95e+05 2.57e+05 Circle 2005.4 2010.2 2698 2.422 42.28% 9.58e+05 2.15e+05 Hexagon 1870.4 1890.6 2501 2.401 42.72% 9.54e+05 2.02e+05 -
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