航天相机主镜热特性研究

　　1　引　　言

　　航天器飞行于大气层之外的茫茫宇宙中,由于宇宙空间缺少了空气的对流,其工作的热环境主要由太阳、地球和其他天体的热辐射决定,其中由于太阳的热辐射能力最强,其热强度可达到1.35kW/m2　[1],所以接受到的太阳辐射的多少成为了航天器热环境的决定因素。在航天器全寿命的工作过程中,由于太阳和其他天体的遮挡情况不同,航相机的温度变化范围会从零下二百度到零上数百度。并且由于其工作姿态的不同,指向太阳的部分和处于太阳阴影中的部分会产生巨大的温度差。航天相机工作在航天器上,航天器环境温度的变化直接影响到相机工作温度,此外,航天器内的其他仪器和相机内部热源所产生热扰动,都使相机的光学系统产生变化,从而大大地降低航天相机的光学特性。根据使用要求,航天相机一般要观察星际间的景物,要求其作用距离较远、分辨力较高,因此相机镜头的通光孔径较大、成像焦距较长,相应的光学零件的几何尺寸也较大,并且在航天相机设计要求中对相机的体积、重量提出了严格的限制,这就使航天相机的结构比刚度相对较小,因此由于热的影响而引起的变形相对比较显著,所以航天相机的热稳定性设计是航天相机设计成败的决定性因素之一,对相机的热响应必须进行深入的研究,尤其是对相机成像质量影响最大的主镜热特性的研究,更是整机热分析的基础。本文所论述的正是应用有限元素分析的方法,对完成了光学设计的某新型航天相机主镜热特性的分析、研究。

　　2　某航天相机主镜模型的建立

　　根据设计指标要求,某航天相机的光学系统采用cassageran式光学系统,主镜为球面镜,球面半径为2000mm,通光孔径为530mm。分析该相机的使用特点认为:在所有的光学零件中,主镜体积最大、比刚度较小,并且直接影响到相机的成像质量,在使用温度范围内,是对温度变化最敏感的光学零件,通过对主镜的热响应的深入研究,计算主镜的温度指标,并计算出主镜的温度变化范围,校核光学系统的离焦、离轴、光学零件的倾斜,可以把主镜的温度特性作为相机整机的热控指标。为了了解主镜的热特性应用了CAD/CAE技术,对主镜的温度响应进行全面的分析。主镜的CAD/CAE分析全过程在HP工作站上进行,几何模型、有限元模型的建立利用EDS公司的Unigraphics软件完成,有限元的分析计算则利用Unigraphics软件的GFEM模块和Patran软件完成。根据上述思想采取以下步骤:

　　1.建立几何模型:根据实际主镜的设计参数,建立1:1的集合模型;(Fig.1)

　　2.建立有限元模型:在几何模型的基础上,划分有限元网格。有限元划分时遵循如下原则: