空間光學鏡頭可適應邊界溫度的CAE計算方法

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

2、仍然是空間光學遙感器能順利完成空間觀測任務的必要保證。如何增強空間遙感器本身的溫度環(huán)境適應能力，提出合理的結(jié)構設計，并在此基礎上提出合理的熱設計指標是做好空間光學遙感器熱控設計的關鍵因素。在空間光學遙感器的設計階段，設計人員往往保守地提出較高的熱控指標要求，從而導致熱設計難度增加，研制成本提高，可靠性降低。        本文提出了空間光學遙感器的熱光學計算方法，并通過溫度場描述和光機熱集成的熱光學計算，預示了光學遙感器對溫度載荷的敏感程度，得出保證光學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指標到溫度指標的轉(zhuǎn)換，合理地提

3、出了光學遙感器的熱設計指標，避免熱設計的過設計或設計不足。2 計算流程        利用計算機仿真手段，進行空間光學遙感器鏡頭可適應邊界溫度(將作為鏡頭熱控設計的指標)計算，流程如圖1所示。首先，對光學遙感器進行溫度場載荷的設定;第二，計算在設定溫度場作用下，光學遙感器熱彈性變形的情況，并提取光學表面的變形參數(shù)進行波面擬合。第三，把光學表面的變形參數(shù)疊加到初始設計的理想光學系統(tǒng)，計算在熱彈性變形的情況下是否能夠滿足光學遙感器的光學指標。通過以上3個步驟的反復迭代計算，最終得到可以滿足光學成像指標要求的臨界溫度值，也就是理論上的熱控指

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

5、可從均勻溫度水平和光學遙感器內(nèi)部的溫差兩個方面進行。對于各種不同的光學系統(tǒng)，可以有不同的溫度場描述方法，根據(jù)所取坐標參考的不同來進行。例如，對于軸對稱的同軸系統(tǒng)，可以采用柱坐標。溫差的描述主要從軸向、徑向、周向三個方向進行，對于離軸的非圓周對稱系統(tǒng)可以采用笛卡兒坐標，主要對三個坐標方向的溫差描述。        確定光學遙感器的溫度場描述方法后，就可以人為的進行溫度場假定，進而探討光學遙感器在各種溫度載荷作用下的溫度載荷適應能力。        本文探討的光學遙感器的軌道采用

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

7、幾何位置變化?？臻g光學遙感器的熱光學計算包括溫度場計算、熱彈性計算和光學計算3個主要步驟，光學系統(tǒng)成像優(yōu)劣的一個重要指標是系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)MTF。本文光學遙感器鏡頭傳函指標為    4.1溫度場計算        熱光學計算的第一步是利用給定的溫度邊界條件，計算整個光學遙感器的溫度場分布，在熱的傳遞路徑中考慮連接構件間的接觸熱阻、熱輻射藕合等因素。以設定的溫度載荷作為邊界，計算整個光學遙感器的整機溫度場分布。本文采用TMG軟件作為溫度場分布的計算工具。    4.2熱彈性計

8、算        熱光學計算的第二步是熱彈性計算，第一步計算得到的溫度場分布作為本步的邊界條件，作為溫度載荷施加到遙感器，計算在該溫度場作用下遙感器的熱彈性變形情況，得到光學表面面形以及光學元件間相對位置變化，進而轉(zhuǎn)換為光學計算的輸人條件，進行光學性能評價計算。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所計算的光學遙感器的溫度場載荷轉(zhuǎn)換為結(jié)構分析的溫度載荷，利用分析軟件NASTRAN進行遙感器光學鏡頭的熱彈性變形計算，計算完成后處理得到光學遙感器光學系統(tǒng)各個光學表面節(jié)點的位移X,Y,Z。各光學元件在溫度載荷作用下的變形如圖5所示。    4.3波面擬合        對熱彈性變形結(jié)果進行光學表面提取，并進行波面擬合，利用n階Zernike多項式(1)進行波面擬合，