空间小型长焦镜头的动力学分析

    空间小型长焦相机采用折反非球面光学系统新技术,具有质量轻、分辨率高等优点,可识别目标特征。

    空间小型长焦相机作为一种高科技的精密仪器,对光机结构的设计、加工、装配、安装固定等提出了更高的要求,其光机结构由20多个零部件装配而成,在卫星的发射、工作过程中,将产生一系列的振动和冲击,这些振动和冲击必然会对相机产生影响。对空间光学仪器来说,为了确保相机不仅在空间环境状态下能正常工作,保持足够准确度,而且在发射运载过程中不破坏,不产生残余变形,要求相机结构具有足够的刚度和强度;同时,相机在空间恶劣环境下应具有良好的尺寸稳定性,以保证视轴(LOS)及镜面的变化(WFE)在许用范围之内。因此,为了降低成本,减少风险,必须在相机研制之前就做好技术评估[1]。

    采用有限元法对空间小型长焦镜头进行结构的动力学分析,考核方案的可行性,能够帮助设计人员对设计做出正确的评价。本文以某空间长焦镜头为例,用美国MSC公司的MSC.Patran和MSC.Nastran对其结构进行动力学验证。

    1 镜头结构方案

    1.1 光学系统设计

    长焦镜头光学系统的特点是采用了折反式光学系统,由7个镜片构成,分别为石英校正镜、次镜、主镜及3片透镜,其光学系统)))折反射系统的设计方案如图1所示。

    1.2 镜头结构描述

    镜头结构包括窗口部件、次镜部件、主镜部件、透镜部件及机械接口等,其具体结构如图2所示。

    结构设计中根据光学设计的公差要求确定零件材料,镜头关键零件均采用性能稳定的殷钢或钛合金材料,箱体部分结构采用铝合金材料。其材料性能见表1。

    2 镜头的有限元模型

    用CAD软件Catia对相机结构进行精确的造型,并以此为基础完成各零部件及整机的装配,为确保网格质量,在造型过程中,抑制了一些不影响整体计算的小的几何特征,如退刀槽、小孔等。

    利用MSC.Patran对简化后的结构用四面体十节点单元划分网格,模型中共包括43 501个节点,21 527个单元,包含约束的有限元模型如图3所示。划分装配体网格时,使每两个连接单元网格协调,合并重复的节点,这样原先边界处两单元之间力矩的传递便可进行。每一个螺栓连接用MPC的RBE2来模拟,假设每一个螺栓都是刚性的。

    边界条件:镜头安放在卫星舱内,依靠其耳板与箱体用螺栓固接,在此,我们对4个螺孔实施全约束。

    坐标系和单位如图3所示,有限元模型的坐标系如下定义:X轴由次镜指向主镜,为光轴方向;Y轴竖直向上,径向。