空間光學(xué)鏡頭可適應(yīng)邊界溫度的CAE計(jì)算方法

1、空間光學(xué)鏡頭可適應(yīng)邊界溫度的CAE計(jì)算方法     1 引言        空間光學(xué)遙感器在軌工作中承受嚴(yán)酷的空間熱環(huán)境的考驗(yàn)，為了保證空間光學(xué)遙感器在外空間惡劣的溫度環(huán)境下正常工作，提高空間光學(xué)遙感器的空間熱環(huán)境適應(yīng)能力，人們已經(jīng)做了很多努力，也取得了一些成果，如從各個(gè)方面提高遙感器自身的成像能力、利用光學(xué)補(bǔ)償?shù)姆椒?、選用熱畸變更小的鏡坯材料以及采用光學(xué)元件與支撐構(gòu)件的線脹系數(shù)匹配等。這些方法在一定程度上增強(qiáng)了空間光學(xué)遙感器的熱環(huán)境適應(yīng)能力，降低了對(duì)空間遙感器熱設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，然而好的熱控措施

2、仍然是空間光學(xué)遙感器能順利完成空間觀測(cè)任務(wù)的必要保證。如何增強(qiáng)空間遙感器本身的溫度環(huán)境適應(yīng)能力，提出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上提出合理的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)是做好空間光學(xué)遙感器熱控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。在空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員往往保守地提出較高的熱控指標(biāo)要求，從而導(dǎo)致熱設(shè)計(jì)難度增加，研制成本提高，可靠性降低。        本文提出了空間光學(xué)遙感器的熱光學(xué)計(jì)算方法，并通過溫度場(chǎng)描述和光機(jī)熱集成的熱光學(xué)計(jì)算，預(yù)示了光學(xué)遙感器對(duì)溫度載荷的敏感程度，得出保證光學(xué)遙感器能夠成像的合理溫度范圍，從而完成了遙感器從光學(xué)指標(biāo)到溫度指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，合理地提

3、出了光學(xué)遙感器的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)，避免熱設(shè)計(jì)的過設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)不足。2 計(jì)算流程        利用計(jì)算機(jī)仿真手段，進(jìn)行空間光學(xué)遙感器鏡頭可適應(yīng)邊界溫度(將作為鏡頭熱控設(shè)計(jì)的指標(biāo))計(jì)算，流程如圖1所示。首先，對(duì)光學(xué)遙感器進(jìn)行溫度場(chǎng)載荷的設(shè)定;第二，計(jì)算在設(shè)定溫度場(chǎng)作用下，光學(xué)遙感器熱彈性變形的情況，并提取光學(xué)表面的變形參數(shù)進(jìn)行波面擬合。第三，把光學(xué)表面的變形參數(shù)疊加到初始設(shè)計(jì)的理想光學(xué)系統(tǒng)，計(jì)算在熱彈性變形的情況下是否能夠滿足光學(xué)遙感器的光學(xué)指標(biāo)。通過以上3個(gè)步驟的反復(fù)迭代計(jì)算，最終得到可以滿足光學(xué)成像指標(biāo)要求的臨界溫度值，也就是理論上的熱控指

4、標(biāo)。3 溫度場(chǎng)描述        溫度場(chǎng)的描述方法是空間光學(xué)遙感器熱控指標(biāo)計(jì)算的關(guān)鍵問題。針對(duì)空間光學(xué)遙感器自身特點(diǎn)，對(duì)光學(xué)遙感器在軌工作可能存在的溫度場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行描述，使計(jì)算分析設(shè)定的溫度載荷工況能夠全面覆蓋在軌可能出現(xiàn)的溫度場(chǎng)狀態(tài)。根據(jù)軌道類型的不同，空間光學(xué)遙感器所受的溫度載荷也不同，對(duì)熱設(shè)計(jì)提出不同的要求。各種不同的溫度載荷在仿真設(shè)計(jì)階段要求都能給以充分的模擬，這就要求對(duì)空間光學(xué)遙感器可能經(jīng)受的溫度場(chǎng)情況進(jìn)行充分的描述。        對(duì)于空間光學(xué)遙感器的溫度場(chǎng)描述主要

5、可從均勻溫度水平和光學(xué)遙感器內(nèi)部的溫差兩個(gè)方面進(jìn)行。對(duì)于各種不同的光學(xué)系統(tǒng)，可以有不同的溫度場(chǎng)描述方法，根據(jù)所取坐標(biāo)參考的不同來進(jìn)行。例如，對(duì)于軸對(duì)稱的同軸系統(tǒng)，可以采用柱坐標(biāo)。溫差的描述主要從軸向、徑向、周向三個(gè)方向進(jìn)行，對(duì)于離軸的非圓周對(duì)稱系統(tǒng)可以采用笛卡兒坐標(biāo)，主要對(duì)三個(gè)坐標(biāo)方向的溫差描述。        確定光學(xué)遙感器的溫度場(chǎng)描述方法后，就可以人為的進(jìn)行溫度場(chǎng)假定，進(jìn)而探討光學(xué)遙感器在各種溫度載荷作用下的溫度載荷適應(yīng)能力。        本文探討的光學(xué)遙感器的軌道采用

6、太陽同步軌道，經(jīng)受的空間溫度載荷相對(duì)穩(wěn)定;光學(xué)系統(tǒng)為如圖2所示的卡塞格林光學(xué)系統(tǒng);外形結(jié)構(gòu)為圓柱形，反射鏡位置及光路如圖3所示。本文采用圓柱坐標(biāo)系對(duì)可能存在的溫度場(chǎng)進(jìn)行描述，分別為均勻溫度水平和沿軸向、周向、徑向三個(gè)方向的溫差，溫度場(chǎng)描述設(shè)定如表1所示。4 熱光學(xué)計(jì)算        根據(jù)光學(xué)遙感器溫度場(chǎng)的描述及設(shè)定的溫度條件進(jìn)行熱光學(xué)計(jì)算。熱光學(xué)計(jì)算是計(jì)算在給定的溫度載荷作用下，由于結(jié)構(gòu)的熱彈性變形引起的光學(xué)表面的面形變化、幾何位置變化及透鏡折射率梯度的變化所引起的光學(xué)系統(tǒng)光程差的變化情況。對(duì)于反射系統(tǒng)，主要關(guān)心光學(xué)反射面的面形變化和

7、幾何位置變化。空間光學(xué)遙感器的熱光學(xué)計(jì)算包括溫度場(chǎng)計(jì)算、熱彈性計(jì)算和光學(xué)計(jì)算3個(gè)主要步驟，光學(xué)系統(tǒng)成像優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)是系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF。本文光學(xué)遙感器鏡頭傳函指標(biāo)為    4.1溫度場(chǎng)計(jì)算        熱光學(xué)計(jì)算的第一步是利用給定的溫度邊界條件，計(jì)算整個(gè)光學(xué)遙感器的溫度場(chǎng)分布，在熱的傳遞路徑中考慮連接構(gòu)件間的接觸熱阻、熱輻射藕合等因素。以設(shè)定的溫度載荷作為邊界，計(jì)算整個(gè)光學(xué)遙感器的整機(jī)溫度場(chǎng)分布。本文采用TMG軟件作為溫度場(chǎng)分布的計(jì)算工具。    4.2熱彈性計(jì)

8、算        熱光學(xué)計(jì)算的第二步是熱彈性計(jì)算，第一步計(jì)算得到的溫度場(chǎng)分布作為本步的邊界條件，作為溫度載荷施加到遙感器，計(jì)算在該溫度場(chǎng)作用下遙感器的熱彈性變形情況，得到光學(xué)表面面形以及光學(xué)元件間相對(duì)位置變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為光學(xué)計(jì)算的輸人條件，進(jìn)行光學(xué)性能評(píng)價(jià)計(jì)算。本文利用有限元分析軟件(MSC. PATRAN/NASTRAN)建立有限元模型如圖4所示，把TMG所計(jì)算的光學(xué)遙感器的溫度場(chǎng)載荷轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析的溫度載荷，利用分析軟件NASTRAN進(jìn)行遙感器光學(xué)鏡頭的熱彈性變形計(jì)算，計(jì)算完成后處理得到光學(xué)遙感器光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)光學(xué)表面節(jié)點(diǎn)的位移X,Y,Z。各光學(xué)元件在溫度載荷作用下的變形如圖5所示。    4.3波面擬合        對(duì)熱彈性變形結(jié)果進(jìn)行光學(xué)表面提取，并進(jìn)行波面擬合，利用n階Zernike多項(xiàng)式(1)進(jìn)行波面擬合，