某机载光电系统主镜的轻量化设计与分析

魏梦琦,高世林,温庆荣,张天琦,祁海军

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

机载光电设备作为现代军事战略支援的重要工具,可以在空中搜索各类可疑目标时起到良好的预警作用。其上搭载的红外搜索跟踪系统可以在红外辐射背景下准确识别目标,并进行定位与跟踪,是机载设备实现红外探测与识别的重要载体[1]。近年来,机载相关技术快速发展,探测距离与虚警率不断得到优化,对红外搜索跟踪系统的探测距离、探测角度以及跟踪指向调整能力等要求日趋严格。随着探测能力的提升,机载光电设备的体积、重量也会随之增大,但由于机载环境较复杂、载机的空间资源有限,故装机要求十分严格,是否可以满足平台对装机设备的重量、体积要求,已成为各航空设备的首要衡量因素。如何在保证光电探测能力的同时,减小机载设备的重量及外包络尺寸,降低成本、扩大应用范围,是目前机载光电系统研制的关键着力点,故实现整机轻量化、小型化势在必行[2]。

针对以上问题,在某新型机载光电系统研制中,前端采用结构紧凑的卡塞格式望远镜结构,兼顾红外光学性能,由主、次镜以及一个物镜组件共同构成,通过方位/俯仰转台带动望远镜结构实现大角度的补偿。其中,主镜是卡式系统的重要部件,其光、机、热性能直接决定了整个光学系统的成像质量,进而影响整机的探测性能。而Φ445 mm主镜尺寸较大,若使用实心镜体形式,将引起整个组件重量的增大,从而增大镜面变形量[3]。为了减少自重过大给系统带来的不利影响,本文对该主镜进行了详细的轻量化设计与仿真分析,对比实物检测结果,验证各项性能参数满足设计要求,为本领域的反射镜轻量化设计提供了一定的借鉴价值。

2 主镜的轻量化设计

主镜的镜面变形量将直接影响光学系统的成像质量,故对主镜进行轻量化设计必须在保证其面形精度的前提下,尽可能减轻镜体自身质量,主要的实现途径分为以下两方面:一是选用性能优异的坯体材料；二是选择合理的轻量化结构并确定最优的结构参数。

根据给定光学参数确定主镜为圆形非球面反射镜,口径Φ445 mm,中心孔径为Φ90 mm,有效通光口径内面形精度的设计要求是RMS≤λ/40(λ=632.8 nm)。

2.1 主镜材料的选择

本文针对机载光学系统的主镜开展了研究,其应该具有良好的光学面形且能够在工作条件下保持较好的稳定性。主镜的材料要求拥有较小的密度、较大的弹性模量、较大的导热系数和较小的热膨胀系数。目前常用的机载反射镜的材料有:微晶玻璃、融石英、铝、硅、铍和碳化硅等[4]。表1列出了不同材料的性能属性。

表1 常用的反射镜材料性能

对比表1中各材料性能参数,可以看出,SiC具有较大的比刚度和较小的稳态变形系数,且目前SiC加工工艺日趋成熟,综合考虑材料的抗变形能力、光学可加工性、热稳定性以及成本等因素,选用SiC作为主镜材料进行设计。

2.2 镜体轻量化形式的确定

目前常用的主镜轻量化结构形式有背部开口型和夹芯型,如图1所示。背部开口型是在实心镜背部进行挖孔去重,既可以通过机械加工来实现,也可以在烧结镜坯时一次成型,此方案工艺性好；而夹芯型则是指镜体前后背板均为实体,但二者之间存在一层蜂窝结构。这种方案能够在相同刚度和强度要求下达到更高的轻量化率,是最理想的轻量化结构,但加工工艺复杂,难度大、周期长、成本高[5]。基于以上考虑,主镜采用背部开口型结构形式。

图1 主镜轻量化结构形式类型

对于背部开口型轻量化结构形式,主镜轻量化孔可采用多种不同的截面形式,包括三角形、圆形、六边形甚至是其他各种形状,但考虑到结构的加工工艺性,一般舍弃较复杂的轻量化孔形式,通常采用的有三角形、扇形、六边形和圆形,圆形孔又可看作是六边形孔的简化形式,但轻量化率更低、质量不均匀,故一般不采用[6]。对Φ445 mm主镜背部采用不同截面形式进行开孔,如图2所示,取相同内切圆直径Φ40 mm,比较不同形式下主镜的轻量化率与镜面位移最大形变量,结果如表2所示。可以看出,三角形孔具有较好的轻量化率及最好面形精度,且三角形结构筋板连续性高、刚度好,故选用三角形孔。

图2 主镜轻量化孔形式

表2 不同轻量化孔性能比较

2.3 镜体结构参数的确定

主镜的轻量化构型设计主要包括轻量化孔形状的选择、背部筋板间距、筋板厚度、面板厚度等参数的确定,不同参数对镜面变形的影响程度亦不同[7]。首先,结合理论计算和工程经验,预先确定影响较小的参数数值,令内切圆直径为40 mm、筋板间距为60 mm,内外壁厚为6 mm；然后,对影响较大的参数,如:镜厚、面板厚度等,借助经验公式与有限元软件进行迭代优化,最终,结合加工工艺等因素,确定出镜体的结构形式。

2.3.1 主镜径厚比的选择

径厚比直接决定了反射镜的轻量化程度,它的选择与材料的比刚度、支撑及轻量化形式等有直接关系。对于边缘为圆形的反射镜,国外著名学者Roberts等人研究了径厚比与自重变形的关系,并给出平板实心镜径厚比的经验公式:

(1)

式中,δ为最大变形量(μm)；ρ为材料密度(kg·m-3)；R为反射镜半径；E为杨氏模量(MPa)；t为镜厚；Δ为径厚比；D为反射镜直径。

主镜选用SiC材料,将表1中给定的各参数值,代入公式(1)中,最大变形量为0.016 μm,直径D=445mm,可求得径厚比Δ=9.4,则镜厚t=47.3 mm。根据经验理论,背部开口型反射镜比实心镜约厚20 %,再给定安全系数1.2,最后可确定出主镜的镜厚为68 mm。

2.3.2 面板厚度的确定

主镜在粗磨、精磨、抛光等过程中会受到一定压力,若镜面较薄,则压力会使镜面产生相对于背部轻量化孔均匀分布的压印效应,对系统成像质量产生影响。该效应与轻量化孔的形式、材料属性、抛光压力等因素密切相关,根据Vukobratovich提出的经验公式可知:

(2)

式中,δc为最大网格变形；ψ为形状因子；P为抛光压力(kPa)；B为筋板内切圆直径；E为杨氏模量(MPa)；tf为镜面厚度；ν为泊松比。

针对不同的轻量化截面形式,形状因子的取值也不同,如:ψtriangle=0.00151,ψsquare=0.00126,ψhexagonal=0.00111。

根据要设计的主镜尺寸、要达到的面形精度以及加工工艺要求,假定抛光压力为67 kPa。又此共孔径望远组件中,物镜组固连在主镜背板处,镜筒直径Φ100 mm,留出安装直径Φ120 mm,主镜外径尺寸为Φ445 mm,为了使背部轻量化三角形孔尽量对称,取筋板间距60 mm,即内切圆直径为40 mm。将SiC材料属性一起代入公式(2)中,为了使单个网格的最大变形量δc<λ/10,计算得出镜面厚度tf=4.89 mm。

结合有限元软件对面板厚度进行优化设计,分析不同面板厚度对主镜质量及自重作用下镜面位移最大形变量的影响,结果如图3所示。可以看出,面板厚度7 mm时,镜面变形最小,但6 mm面板厚度下,位移与其仅相差0.1 nm,质量减轻了约330 g,故最终确定面板厚度为6 mm。

图3 面板厚度对质量与面形的影响

2.3.3 筋厚的确定

借助于有限元软件计算1 g重力作用下,随着筋板厚度变化,镜体质量与镜面位移形变量的变化,结果如图4所示。可以看出,筋板厚度每增加1 mm,镜体质量要增大约580 g,镜面变形也会产生一定波动。但当筋板厚度达4 mm时,对镜面变形的影响最小。故确定筋厚大小为4 mm。

图4 筋板厚度对质量与面形的影响

综合上述参数的优化结果,确定出主镜最后结构形式,如图5所示。其中,为了防止镜坯在反应烧结过程中产生热结,在三角形孔之间预留工艺孔,孔径8 mm。经计算,轻量化设计后的主镜质量为6647 g,轻量化率达到62 %。

图5 主镜轻量化结构形式

3 有限元仿真分析

3.1 静力学分析

主镜在工作及检测过程中光轴保持水平,但在初始安装点胶过程中则需保持光轴竖直,为了尽可能真实地模拟主镜在自重下的变形情况,分别对这两种工况下的主镜进行静力学分析。主镜采用周边支撑方式,胶粘固定于边框内,镜面位移形变量由内向外逐渐减小,故将约束条件简化为周边刚性约束,分析在1 g重力作用下,不同工况的面形变化。计算得出光轴竖直时,面形精度RMS值为1.13 nm,PV值为4.14 nm；光轴水平时,主镜面形精度RMS值为0.23 nm,PV值为1.19 nm,变形云图如图6所示。两者均满足设计要求。

图6 不同工况下主镜变形云图

3.2 应力分析

飞机急转、俯冲等情况都会造成机载光学系统组件过载,为了避免过载导致主镜因局部应力过大而产生损坏,对其进行应力分析。经试验测定,主镜所受的最大过载为6 g,借助有限元软件模拟真实工作情况,计算出主镜所受最大应力为0.19 MPa,如图7所示,远小于SiC极限应力(1 MPa),满足设计要求。

图7 冲击引起的主镜应力云图

4 试验测试

根据上述方案优化结果,完成主镜的加工制造,实物如图8所示。采用激光干涉仪进行检测,面形精度RMS实测值为0.024λ,即15.19 nm,如图9所示,满足最初设计指标要求。试验结果与分析结果存在一定差别,这是由于试验无法对单一主镜开展,故重新设置有限元分析工况,计算出主镜组件下面形精度RMS值为11.67 nm。实测值略大于仿真结果,因为存在一定的加工误差,且有限元分析过程中对胶层的简化设置可能对仿真结果带来一定影响。

图8 主镜实物图

图9 干涉仪镜面面形结果

5 结 论

本文对某新型机载光电系统开展了主镜的轻量化研究。结合光学系统面形精度和轻小型化要求,确定了主镜背部三角形开口的结构形式。分析相关尺寸参数对主镜面形与质量的影响,采用理论计算与有限元分析相结合的方式,确定出镜厚68 mm,面板厚度6 mm,筋厚4 mm。建立了主镜的有限元模型,并分析主镜在重力作用下的变形情况,分析结果均满足设计要求。主镜在重力载荷下面形检测RMS值为15.19 nm,面形精度良好,轻量化率达到62 %,为其他机载光电系统反射镜的设计提供一定借鉴意义。