对于光学系统而言,太阳光是其杂散光的首要来源,是影响成像质量的重要因素｡通过将仿生技术和折纸理论相结合,完成光学系统的遮光罩设计｡选用两层薄膜作为遮光结构,一方面提高了遮光性能,另一方面遮光罩本身具有一定的隔热功能,更好地保护了光学系统｡最后通过ABAQUS仿真模拟薄膜的展开过程,并进行应力水平分析｡结果表明,遮光罩薄膜展开过程顺利,展开后最大应力为40.63MPa,满足聚酰亚胺薄膜材料的使用要求｡
1.1遮光罩形状设计
觅音计划将在日地L2点实施,距离地球约1.5×106km,太阳光线是影响光学系统观测的杂散光的主要组成部分｡由于光学系统和太阳之间并无其他星体遮挡,太阳产生的光线和热量几乎直接作用于光学系统,其中太阳辐射密度在L2点附近高达1296W/m2[15],若没有遮光罩的阻挡,会造成系统成像质量下降甚至失效｡图1所示为光学系统的主次镜系统示意,主镜半径为r1=1m,次镜直径为d2=1/3m,次镜在主镜面上的投影和主镜相切,主次镜之间的间距d=4.27m｡遮光罩主要由双层聚酰亚胺薄膜､弹性铰链和相应的支撑机构组成｡从图1也可以看出,太阳光入射方向刚好和目标星体入射光线方向相反,二者之间的夹角几乎不变,所以遮光罩采用如图1中所示的平面式结构就能有效阻挡来自太阳的杂散光和热流量｡
图1主次镜系统概念图
1.2遮光罩尺寸设计
遮光罩的尺寸主要受到观测范围的影响,根据光学系统的俯仰范围即可确定遮光罩的大小｡为满足科学探测需要,并考虑到光学系统轨道特点等情况,望远镜俯仰范围,也就是观测范围为-20°~+20°｡
2薄膜折叠方案设计
2.1薄膜拓扑构型设计
在自然界中,花从花蕾绽开为花朵的形态变化过程可以看作是一种有效遮光面积逐渐增大的过程,通过花萼和花瓣之间的有效配合,能够实现很好的遮挡效果｡图2(a)所示为花朵的简单示意,其主要结构由花瓣和花萼组成,当花朵开放时,花瓣绕着花萼花瓣连接处逐渐向外旋转展开,沿着花朵轴向观察,其投影面积逐渐扩大｡以正多边形来代替花萼,如图2(b)中双阴影部分所示,矩形在正多边形边上和相连接作为花瓣,将空白部分的三角形相连接,便可以得到薄膜的拓扑构型｡
图2薄膜构型获取
3支撑机构设计
聚酰亚胺薄膜具有高强度､低质量､良好的热稳定性､紫外稳定性､抗原子氧化性能以及较低的红外透过率等优点,因此被广泛应用于各种航天器[17-18]｡对于薄膜而言,其面内刚度极低,很难满足在运输､发射､入轨等复杂力学情况下的要求,容易造成薄膜撕裂等情况｡另外也需要有相应的机构来带动薄膜运动,实现整个遮光罩的折叠和展开｡支撑结构主要由轻质碳纤维杆和超弹性铰链组成,轻质碳纤维杆为遮光罩结构提供足够的刚度,并起到保护薄膜的作用,超弹性铰链用来驱动薄膜展开｡图3(a)(b)分别展示了遮光罩折叠时和展开后的状态｡可以看到,遮光罩折叠时,其所包络的空间刚好和卫星星体所占用的空间相重合,减小了发射时所占用的总空间｡遮光罩展开驱动力矩由固定在底座上的超弹性铰链提供,图3(c)(d)展示了超弹性铰链在遮光罩支撑结构中的位置｡超弹性铰链由两片对向的卷尺形柱面开口壳构建组成,弹性铰链在折叠时已经积累足够的弹性势能来展开遮光罩支撑结构,从而带动支撑结构上的薄膜材料,此外在展开过程中能够实现无间隙运动｡由于超弹性铰链自身的特殊结构,可以实现再展开整个遮光罩结构的自动锁定｡多层并间隔一定距离的薄膜不仅可以提高挡光效率,还可以形成多层保护,阻挡太阳热影响光学系统的性能｡此外,多层薄膜之间形成的区域可以让从外层发出的热量在中间的空隙之间经过有限次的反射后排向外太空,从而减小了里层的热量吸收总量,提高了阻挡热量的效率｡如图8所示,在支撑结构的两面都附上薄膜,薄膜和支撑结构之间采用胶粘连接,支撑结构本身存在一定的厚度,以此形成具有一定间距的双层薄膜结构｡
图3支撑结构整体示意
5结束语
本文根据光学系统的任务需求,对遮光罩的形状和结构进行了设计｡采取的设计方案在展开时不仅能够满足光学系统的遮光需求,折叠时也能够充分利用空间｡双层薄膜的应用使得遮光罩既具有阻挡杂散光的功能,又能起到隔热保温的作用｡此外该结构采用的薄膜设计和铰链驱动设计能够实现轻质化的要求,符合未来航天器的发展趋势｡
参考文献(References)
[1]郝云彩,肖淑琴.星载光学遥感器消杂光技术现状与发展[J].中国空间科学技术,1995,15(3):40-50.
[2]宋宁,韩心志,李润顺,等.航天遥感器里奇-克雷蒂安系统遮光罩的设计和分析[J].光学学报,2000,20(6):21-26.