周记大全-村官面试自我介绍

第
31
卷　第
10
期
2010
年
1 0
月
仪器仪表学报
ChineseJournalofScientificInst rument
Vol
1
31No
1
10
Oct.2010< br>月基对地观测极紫外相机光机结构设计
李朝辉
(
中国科学院长春光学精密机械与 物理研究所　长春　
130033
)
摘　要
:
为了实现从月球表面对 地球周围等离子体层进行长期观测
,
给出了一种有效可行的实现方案
:
采用单 球面反射镜与球
面探测器组成光学系统
,
视场角
14
°
,< br>空间角分辨率小于
0.1
°
;
采用地平式二维转动机构以实现对成像镜 筒组件俯仰、方位的调
整
,
保证对地球的瞄准和跟踪。重点对主反射镜支撑结构和转动 机构给出了较为详细的设计。有限元分析和试验表明
,
光机系
统选材合理
,< br>焦平面稳定性好
,
反射镜支撑结构合理
,
镜面面形在
Δ
T
=50
℃温降载荷下≤
14nm;
二维转动机构动态刚度较高
,
结构紧凑
,
整机重量≤
16kg,
在要求的温度变化范围内运转正常 。
关键词
:
极紫外相机
;
月基
;
对地观测
;
光机设计
中图分类号
:TP702
　　文献标识码
:A
　 　国家标准学科分类代码
:460.4035
Opto
2
mechanica ldesignoflunarbasedEUVcameraforimagingtheearth
LiZhaohui
(
ChangchunInstituteofOptics,FineM echanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changc hun130033,China
)
Abstract:Inordertomonitort hechangesinplasmadensityanddistributionthroughimag ingtheEarthplasmas
2
phere,aneffectiveimplem entationsolutionispresented,inwhichtheopticalsyste mconsistsasinglesphericalmir
2
rorandaspheri calsurfacedetector,andhasafieldofviewof14degreesan dangularresolutionoflessthan0.1de
2
gree.A2< br>2
Dadjustingmechanismfortrackingandpointingt heearthisdesignedtorealizethepitchandazimuthad
2
justmentoftheimagingapparatus,whichconsistsof horizontalshaftmoduleandverticalshaftmodule,andens ures
theaimingandtrackingoftheapparatustotheear thwithpointingaccuracybetterthan0.1
°
.Thest ructuredesignof
ulationanalysisandexperimentind icate
thatthestructureofthereflectorhasbothhigh rigidityandfinestability;thesurfaceaccuracyofthere flectormeets
therequirementsofimagingquality
(
PVvalueislessthan14nm
)
.Vibrationandt hermaltestswerecarriedout;
testresultsshowthatt hemechanicaldesignoftheadjustingmechanismhasadequa teeigenfrequencies,stiffnessand
strength,gperfo rmancetestshowsthattheopticalsystemmeets
thereq uirementsofEUVdetectioninthesciencegoaloftheChang< br>π
eEngineering.
Keywords:EUVcamera;lunarb ased;imagingtheearth;opto
2
mechanicaldesign
月基对地观测极紫外
EUV
(
ExtremeUltraviolet
)
相
机
,
将对地球周围等离子体层产生的
30.4nm
辐 射进行
全方位、长期的观测研究
,
这对于地球天气和空间天气研
究具有非常重 要的意义。
为了对地球等离子体层的整个轮廓成像和监测等离
子体层的空间分布及其变化
,EUV
相机需要较大的视场
1
　引　　言
嫦蛾二期工程任务目标除了实现 月球软着陆探测和
自动巡视勘测外
,
还需完成一系列科学目标。其中
,
地月
空间环境探测是非常重要的一个科学目标
　收稿日期
:2010
205
　　
ReceivedDate:2010
2
05
[11]
。

　第
10
期李朝辉
:
月基对地观测极紫外 相机光机结构设计　
2353
和较高的角分辨率
;
为了保持准确的对地指向< br>,
还需要二
维调整机构来实现
EUV
相机对地球的瞄准和跟踪。
EUV
相机的突出特点是
:1
)
对
30.4nm
的极紫外 辐
的设计要求。因此
,
只有选用单球面配合球面探测器的
设计方案。这种设计 方案结构尺寸较小
,
重量轻
,
只用一
个反射面
,
且 视场范围较大。目前
,
美国和日本发射的几
台地球等离子体层成像探测仪器都采用了这 种光学设计
方案。光路如图
1
所示。
射成像
,
因此需要满足 该波段成像质量要求的光学系统
,
以及
EUV
波段光子计数成像探测器
;2
)
恶劣的空间环境
(
登月过程严酷的冲击、振动
,
月 昼、月夜非常大的温度
变化范围
,
超真空环境等
)
和对仪器体积重量 的严格限制
等
,
对光机系统各项性能指标提出了严格的技术要求。
本文根据嫦 蛾工程科学目标总体提出的任务要求
,
着重考虑可实现月球表面工作、对地极紫外探测的光学、
机械总体方案。为满足对
EUV
相机光机系统在力学、温
度和重量等几方面严 格的条件约束
,
从方案比较、材料选
取、主要结构形式等几个方面进行了深入分析和较 为详
细的论述。
图
1
　
EUV
相机光学系统图
Fi g.1OpticallayoutofEUVcamera
2
　主要技术指标
根据< br>EUV
相机的任务要求
,
光机系统需满足表
1
的
技术 指标和性能要求。
表
1
　
EUV
相机技术指标要求
Tabl e1
　
TechnicalindexesforEUVcamera
序号
1
2
3
4
5
6
7
根据地球等离子体层的分布特性,
可以确定
EUV
相
机的视场角度为
15
°
,
利用仪器的灵敏度公式可确定
[3]
EUV
相机的通光口径。灵敏度
S
的计算公式为
:
ω
×
ε
×
τ
×
ρ
×
10
S=A
×
π
4
6
(
1< br>)
项目
整机质量
谐振频率
方位、俯仰转动范围
测量波段中心频 点
nm
存储温度范围
工作温度范围
)
视场角
(
°< br>参数
≤
16kg
≥
70Hz
(
发射方向
)< br>≥
50Hz
(
垂直发射方向
)
±
50
°30.4
-110
～
+110
℃
;-50
～
+ 70
℃
式中
:
ω
为每个像元所张开的立体角
;
τ< br>为滤光片的透过
率
;
ρ
为多层膜反射镜的反射率
;
ε
为探测器的量子效
率
;
A
为
EUV
相机入瞳面积。
光学设计结果得到设计参数为
:
系统焦距
f
=
150mm; ,
球面镜有效通光口径
190mm;
入瞳在反射镜面
的球心处
,中心遮拦口径<
66mm;
球面反射镜为凹球
面
,
探测器表面具 有一定曲率半径
,
以减小畸变
,
提高弥
散斑在不同视场下的均匀性< br>,
探测器有效口径为
<
40mm
。
为了满足角分辨率≤
0.1
°的技术指标要求
,
要求机
械结构具有良好的尺寸稳定性
,
要求焦面探测器与主反
射镜光轴的垂直度≤
20
″
,
反射镜 面形公差
(
RMS
)
≤
14nm,
轴向离焦量≤
0 .05mm
。
≥
15
°
≤
0.1
°角分辨率
3
　光学系统结构形式确定
在
EUV
波段因为无可用的透过光学材料
,
因此
EUV
相机光学设计需要选择反射式光学系统。在反射式光学
系统中 有掠入射成像结构和正入射成像结构。目前
,
常
用的掠入射成像结构有
Wol ter
型和
K
2
B
两种
,
这两种结
构具有 视场范围小和体积比较大的特点
,
不适合
EUV
相
机的使用要求。目 前
,
常用的正入射成像结构有
Casseg
2
rain
和< br>Schwarzchild
成像结构
,
这两种成像结构可以实现
很高的 光学分辨率。但是
,Cassegrain
结构只能在很小的
视场范围内实现高光学分 辨率
,
且需要采用
2
块反射镜
,
不适合本项目设计要求。而
Schwarzchild
同样需要采用
2
块多层膜反射镜
,
且结构尺寸较大
,
也不适合
EUV
相机
4
　机械结构设计
机械结构设计首先要保证光学系统成像质量的技术
要求
,
重点是保证焦平面尺 寸稳定性和反射镜面形公差
要求
;
其次是满足工程任务提出的各项技术指标要求
,
包
括对地球实现瞄准和跟踪二维转动机构
,
镜头防护
(
防月
尘和热控用
)
机构等。
对于整机的结构布局
,
应尽量使 相机的质量分布靠
近安装平台
,
使质心降低
;
同时
,
还要采取对称结构及合
理布置各组件
,
使相机转动惯量尽量小
,
以 增加
EUV
相
机总体的稳定性
,
提高相机的动态特性。
EU V
相机的总
体结构布局如图
2
所示。

　
23 54
仪　器　仪　表　学　报第
31
卷
反射镜镜筒是连接反射镜组件与焦面探 测器之间的
主要受力构件。由于焦面轴向变化量要求≤
0.05mm,
倾斜≤
20
″
,
所以要求反射镜镜筒具有足够的强度、刚度
和尺寸稳定性。选择碳纤 维复合材料制造反射镜镜筒
,
具有高比刚度、低线涨系数等优点。通过合理选择单层
铺 设角、铺层比、铺层顺序获得所要求达到的层压板刚度
参数。反射镜镜筒最大挠度可由式
(2
)
计算
:
y
max
=PL
3
EI< br>3
(
2
)
式中
:
P
为镜筒端面负载
,
I
为截面惯性矩
,
L
为筒长。
图
2
　< br>EUV
相机总体布局
Fig.2ConfigurationoftheEUVplat form
单层板选择高模量的
M40JB
碳纤维

环氧体系
,
根
据单层板的力学性能
,
可求得该反射镜筒的弹性模量。
经计算确定 铺层的总数为
30
层
,
所设计的反射镜镜筒的
轴向弹性模量
E
1
>120GPa,
周向弹性模量
E
2
≥
80G Pa
。经工程分析
,
该反射镜镜筒在重力作用时
,
镜
整个< br>EUV
相机由成像单元和二维转动机构组成。
成像单元由主反射镜组件、焦面探测器组件 和镜头防护
组件
3
部分组成。二维转动机构由
U
形支架、方位旋转< br>机构和俯仰旋转机构
3
部分组成。
4.1
　成像单元结构设计
筒端面最大位移
0.002mm,
相对于反射镜光轴的角度变
化为
θ
。
2
=2.7
″
综上可知
,
反射镜与焦面探测器的最大倾角
θ
=
9.6
″
,
满足
20
″的指标要求。
4.2
　二维转动机构设计
成像单元中的反射镜组件主要由主反射镜、支撑心
轴和反射镜镜筒组成
;
焦面组件包含位敏阳极探测器、联
结中筒和信号处理单元
;
镜头防护组件主要包括镜头盖
开关机构与高压电源模块等。反射镜组件是影响成像质
量的关键部件
,
应从选材、设计、装调等几方面考虑。
EUV
相机的工作环 境温度变化范围大
,
要求采用零膨
二维指向机构要实现成像系统俯仰和方位两自由度< br>的调整。综合考虑登月工程对
EUV
相机的技术要求
,
采
用传 统的地平式俯仰、方位转动轴系
,
其综合性能
(
体积、
可靠性、重量 、指向跟踪
)
较好
,
是跟踪指向机构的首选
结构。
轴系和传 动系统是影响结构刚度和跟踪性能的关键
环节。采用标准轴承组成俯仰、方位轴系
,
采 用霍耳元件
作为位置反馈传感器即可实现跟踪指向精度≤
0.1
°的技
术要求 。
俯仰转动机构由水平轴系、传动机构和支撑框架组
成。一端采用一对角接触球轴承支撑
;
另一端采用深沟
球轴承
,
可沿轴线自由移动
,
以补偿温 度变化的影响。垂
直轴系与水平轴系结构形式相同。轴承需要选用特殊设
计制造的低温轴承,
经防冷焊固体润滑处理
,
以满足深空
环境条件下的使用要求。根据使用 的环境温度要求
,
轴
系的预紧载荷应做合理估算
,
保证在大的温度变 化范围
内可靠运转。在轴向预紧力作用下
,
角接触球轴承的轴
[8]
向刚度可按式
(
3
)
近似计算
:
251

3 1

3
μ
m
)(
3
)
K
a
=
6
.
86
(
ZD
w
sin
α
F
a
,
(
N
0
)
径向刚度为
:
K< br>r
=
1
.
7164
D
w
1

3
胀光学材料。根据材料性能和目前国内外
EUV
相机材料
的使用经验
,
决定采用微晶玻璃作为反射镜的加工材料。
使用线膨胀系数与微晶玻璃相接近的超低膨胀合 金
制作反射镜支撑结构。采取中心支撑的方式
,
支撑心轴
(
殷钢)
与反射镜内孔用环氧胶粘接
,
胶粘层厚度既要保
证足够的粘接强度,
又要避免对反射镜面形产生影响。
为了减小温度梯度所产生的应力对反射镜面形的影响< br>,
用电火花在支撑心轴上开槽加工出
3
处挠性构件
,
沿圆周
120
°均布。反射镜镜座与碳纤维反射镜镜筒底面的钛
合金镶嵌环联结。反射 镜组件的具体结构设计如图
3
所
示。经有限元建模分析
,
该反射镜柔 性支撑结构在垂直
于光轴方向的重力载荷下
,
镜面刚体位移
2.91
μ
m,
镜面
倾角
θ
。
1
=6.9
″
cos
α
1

3
Z
1

3
F
a
0
sin
α
2
(
4
)
式中
:
F
a
0
为轴向预紧力
(
N
)
;
Z
为单套轴承刚球数目
;
)
。
D
w
为刚球直径
(
mm
)
;
α
为初始接触角
(
°
图3
　主反射镜组件
Fig.3Assemblyofprimarymirror
轴向预紧力按
10kg
计算
,
轴向刚度为
K
a
=< br>57
(
N
μ
m
)
,
径向刚度为
K< br>r
=176
(
N
μ
m
)
。
传动系统 采用蜗轮蜗杆副提供减速度比
,
增大电机

　第
10
期 李朝辉
:
月基对地观测极紫外相机光机结构设计　
2355
的负载力矩。为防 止啮合点的真空冷焊
,
需要做固体润
滑处理。通过合理选择几何参数、变位系数、节点 位置
,
以改善其啮合特性
,
既要使机构有足够的刚度和回转精
度,
有要保证在大温差条件下运转自如
,
无卡滞。
力学振动的输入按空间环 境实验条件进行
,
正弦振
动的力学量级见表
4
。其中
,水平方向的振动对
EUV
相
机影响最大
,
粘加速度传感器进行监 控。。
表
4
　正弦振动载荷
Table4
　
Loadofs inevibration
05
～
15Hz
X
、
Y
、
Z
方向
5
　光机性能分析
对
EUV
相机采用MSCPatran
建模
,MSCNastran
求
解
,
分析中的结构阻尼取经验值
0.03
。
1
)
考察在
ΔT
=50
℃均匀温降载荷作用下反射镜镜
面面形精度情况
,
分析 结果如表
2
所示。
表
2
　热载荷下反射镜面形精度结果
Ta ble2
　
Surfaceprofileerrorofthemirrorunderthermalload
PV
值
nm
65.3
RMS
值
nm
13.44
)
镜面倾斜
(
″
12.5
6mm
6g
4g
15
～
30Hz
030
～
100Hz
在实验过程中最大响应发生在
U
形支架上部
,
最大
响应为
150g,
放大倍率为
25
倍
,
力学模拟件
3
个方向的
基频分别为
41.6Hz
、
43.7Hz
和< br>110.6Hz
。随机振动试
验的输入为
16g
(
均方根加速 度
)
,
力学模拟件完好无损。
2
)
温度适应性试验
采取温控措施后
,EUV
相机转台的工作温度范围为
-30
～
+70
℃
,
存储温度范围为
-110
～
+110
℃。为测
从表中看出
,
在
50
℃均匀温降载荷作用下反射镜镜
面面形 精度
13.44nm
(
RMS
值
)
,
满足光学设计 提出的技
术指标要求。
2
)
模态分析
EUV
相机的前三阶频 率及振型如表
3
所示。
表
3
　
EUV
相机结构基频
Table3
　
NaturalfrequenciesofEUVstructur e
频率
Hz
1
2
3
47.3
51.6
15 0
试其温度适应能力
,
试验温度范围为
-40
～
+80℃
,
每
5
℃进行一次运转测试。试验结果为俯仰轴系和方位轴
系 在
-40
～
+80
℃范围内运转正常。
3
)
成像分 辨率测试
利用专用检测定标真空装置对
EUV
相机空间分辨
率进行检测。激光 等离子体光源、单色仪和光束准直系
统构成紫外光源
,30.4nm
的准直光束照射分 辨率板
,
经
过反射镜反射
,
利用调焦机构精确成像到球面探测器上< br>,
通过测量分辨率板的图像即可找到所能分辨的最小线
对
,
其倒数为空 间分辨率
,
实测结果表明探测器空间分辨
率优于
0.18mm
即角分 辨率
0.08
°。
振型描述
相机绕
z
轴转动
相机绕
y
轴转动
相机沿
x
轴移动
7
　结　　论
采 用单球面反射镜与球面板探测器构成月基极紫外
探测光学系统
,
系统简单、重量轻,
且满足视场和空间分
辨率的使用要求。根据工程任务和光学系统的技术指标
要求
,
重点对反射镜支撑组件和二维调整指向机构进行
了较为详细设计与分析
,< br>有限元分析和环境试验表明
,
EUV
相机光机结构系统具有较高的刚度
,
能够抑制动力
学环境干扰
;
具有良好的动态特性
;
具有较 好的热尺寸稳
定性
,
能够确保相机月球表面稳定成像
;
俯仰、方位转 动
机构可在
-40
～
+80
℃温度范围内正常工作
,
其力学特
性和温度适应性满足任务指标要求。
6
　试验验证
1
)< br>力学试验
将力学试验件放置在振动台上
,
通过铝板与振动台
的连接,
如图
4
所示。
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作者简介
　　李朝辉
,1991
年于长春理工大学获 得学
士学位
,1994
年于长春理工大学获得硕士学
位
,2001< br>年于中国科学院长春光学精密机械
与物理研究所获得博士学位
,
现为长春光机< br>所副研究员
,
主要研究方向航天遥感器研制
与精密机械设计。
E
2
mail:lizh_ciom@
　
omChangchun
Unive rsityofScience&Technologyin1991and1994,respec
2
fromChangchunInstituteof
Optics,FineMechani csandPhysics,ChineseAcademyofSci
2
rrentlyan associateresearchfellowin
ChangchunInstituteofO ptics,
mainresearchfocusesonthedesignandstudyfo rpreciseme
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