搜索空間光學(xué)鏡頭可適應(yīng)邊界溫度的CAE計算方法
2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
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,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,如從各個方面提高遙感器自身的成像能力、利用光學(xué)補償?shù)姆椒ā⑦x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了空間光學(xué)遙感器的熱環(huán)境適應(yīng)能力,降低了對空間遙感器熱設(shè)計指標(biāo)的要求,然而好的熱控措施仍然是空間光學(xué)遙感器能順利完成空間觀測任務(wù)的必要保證。如何增強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,并在此基礎(chǔ)上提出合理的熱設(shè)計指標(biāo)是做好空間光學(xué)遙感器熱控設(shè)計的關(guān)鍵因素。在空間光學(xué)遙感器的設(shè)計階段,設(shè)計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)計算方法,并通過溫度場描述和光機熱集成的熱光學(xué)計算,預(yù)示了光學(xué)遙感器對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,合理地提出了光學(xué)遙感器的熱設(shè)計指標(biāo),避免熱設(shè)計的過設(shè)計或設(shè)計不足。
2 計算流程
利用計算機仿真手段,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)計的指標(biāo))計算,流程如圖1所示。首先,對光學(xué)遙感器進(jìn)行溫度場載荷的設(shè)定;第二,計算在設(shè)定溫度場作用下,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)計的理想光學(xué)系統(tǒng),計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個步驟的反復(fù)迭代計算,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標(biāo)。
3 溫度場描述
溫度場的描述方法是空間光學(xué)遙感器熱控指標(biāo)計算的關(guān)鍵問題。針對空間光學(xué)遙感器自身特點,對光學(xué)遙感器在軌工作可能存在的溫度場狀態(tài)進(jìn)行描述,使計算分析設(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,對熱設(shè)計提出不同的要求。各種不同的溫度載荷在仿真設(shè)計階段要求都能給以充分的模擬,這就要求對空間光學(xué)遙感器可能經(jīng)受的溫度場情況進(jìn)行充分的描述。
對于空間光學(xué)遙感器的溫度場描述主要可從均勻溫度水平和光學(xué)遙感器內(nèi)部的溫差兩個方面進(jìn)行。對于各種不同的光學(xué)系統(tǒng),可以有不同的溫度場描述方法,根據(jù)所取坐標(biāo)參考的不同來進(jìn)行。例如,對于軸對稱的同軸系統(tǒng),可以采用柱坐標(biāo)。溫差的描述主要從軸向、徑向、周向三個方向進(jìn)行,對于離軸的非圓周對稱系統(tǒng)可以采用笛卡兒坐標(biāo),主要對三個坐標(biāo)方向的溫差描述。
確定光學(xué)遙感器的溫度場描述方法后,就可以人為的進(jìn)行溫度場假定,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)遙感器的軌道采用太陽同步軌道,經(jīng)受的空間溫度載荷相對穩(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)系對可能存在的溫度場進(jìn)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(shè)定如表1所示。
4 熱光學(xué)計算
根據(jù)光學(xué)遙感器溫度場的描述及設(shè)定的溫度條件進(jìn)行熱光學(xué)計算。熱光學(xué)計算是計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。對于反射系統(tǒng),主要關(guān)心光學(xué)反射面的面形變化和幾何位置變化。空間光學(xué)遙感器的熱光學(xué)計算包括溫度場計算、熱彈性計算和光學(xué)計算3個主要步驟,光學(xué)系統(tǒng)成像優(yōu)劣的一個重要指標(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溫度場計算
熱光學(xué)計算的第一步是利用給定的溫度邊界條件,計算整個光學(xué)遙感器的溫度場分布,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,計算整個光學(xué)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熱彈性計算
熱光學(xué)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(xué)表面面形以及光學(xué)元件間相對位置變化,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為光學(xué)計算的輸人條件,進(jìn)行光學(xué)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(xué)遙感器的溫度場載荷轉(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算,計算完成后處理得到光學(xué)遙感器光學(xué)系統(tǒng)各個光學(xué)表面節(jié)點的位移△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多項式(1)進(jìn)行波面擬合,
人們對Zernike多項式的擬合方法做了很多研究,比較常用的方法有Gram-Schimidt正交化方法、協(xié)方差矩陣法、Householder變換法等。本文利用Householder變換法進(jìn)行計算,各個光學(xué)表面處理的擬合精度均小于10 nm。
對熱彈性變形的結(jié)果進(jìn)行處理是基于對原有節(jié)點位置和熱彈性變形的變形量的和,是系統(tǒng)發(fā)生熱彈性變形后的新的光學(xué)表面的幾何位置,波前差計算方法參照文獻(xiàn)。
4.4光學(xué)計算
利用有限元計算,得到鏡面的變形值后,計算光學(xué)系統(tǒng)各個鏡面的波前差值,并通過擬合得到Zernike多項式系數(shù),寫成CODEV軟件可以接收的接口文件(*.INT)格式,代入CODEV軟件中,得到光學(xué)系統(tǒng)在發(fā)生熱彈性變形條件下光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳函(MTF)曲線。該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計傳函如圖6所示。通過迭代計算,最終得到滿足光學(xué)指標(biāo)要求的臨界溫度范圍為水平變化l0℃、軸向溫差16℃、周向溫差8℃及徑向溫差5℃,所對應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)傳函分別如圖7,8,9,10所示。
5 熱控指標(biāo)
通過光機熱集成的分析方法計算,得到的示例光學(xué)遙感器在臨界溫度的傳函(60lp/mm)如表2所示,可以看出,整個光學(xué)遙感器溫度適應(yīng)范圍為溫度水平變化10℃時,達(dá)到了光學(xué)指標(biāo)要求的臨界值;而對于光學(xué)遙感器溫度分布的適應(yīng)范圍為徑向溫差5℃、軸向溫差16℃、以及周向溫差8℃。可見本光學(xué)遙感器對徑向溫差最為敏感,對軸向溫差不甚敏感。
根據(jù)熱光學(xué)計算結(jié)果,得到整個光學(xué)遙感器的熱控指標(biāo),山于地面光學(xué)裝調(diào)溫度為20℃,整個光學(xué)遙感器溫度水平為10-30℃,X向溫差不大于5℃, Y向溫差不大于16℃,Z向溫差不大于8℃。
6 結(jié)論
通過光、機、熱集成熱光學(xué)計算,為光學(xué)遙感器的熱控指標(biāo)的擬訂提供了科學(xué)依據(jù),解決了過去在方案設(shè)計階段無法合理擬訂熱控指標(biāo)的難題,避免了制定熱控指標(biāo)的盲目性。整個光機系統(tǒng)在溫度載荷作用下,各個反射鏡變形和位移具有相互補償?shù)目赡苄?簡單地用光學(xué)誤差分配的標(biāo)準(zhǔn)作為單個反射鏡的熱控指標(biāo),或為了安全起見,盲目地提出過高的熱控指標(biāo)都是不科學(xué)的。通過熱光學(xué)計算,可以得出光學(xué)遙感器系統(tǒng)在熱環(huán)境條件下的適應(yīng)能力,并可以對光學(xué)遙感器在不同溫度條件下的光學(xué)性能進(jìn)行預(yù)示,從而可以對遙感器不同方向,不同部位的溫度控制要求有一個詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析,能夠有的放矢地提出對熱控設(shè)計的要求,避免了指標(biāo)的不合理造成熱控設(shè)計的過設(shè)計或設(shè)計不足。在遙感器的方案設(shè)計階段提出合理的熱控設(shè)計指標(biāo),提高了設(shè)計效率,降低了設(shè)計風(fēng)險,并可以為以后熱光學(xué)試驗提供數(shù)據(jù)參考。
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