空間光學鏡頭可適應邊界溫度的CAE計算方法

2013-06-18  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

  空間光學遙感器在軌工作中承受嚴酷的空間熱環境的考驗,為了保證空間光學遙感器在外空間惡劣的溫度環境下正常工作,提高空間光學遙感器的空間熱環境適應能力,人們已經做了很多努力,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、利用光學補償的方法、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境適應能力,提出合理的結構設計,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換,合理地提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進行波面擬合。第三,把光學表面的變形參數疊加到初始設計的理想光學系統,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的溫度場狀態。根據軌道類型的不同,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可從均勻溫度水平和光學遙感器內部的溫差兩個方面進行。對于各種不同的光學系統,可以有不同的溫度場描述方法,根據所取坐標參考的不同來進行。例如,對于軸對稱的同軸系統,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太陽同步軌道,經受的空間溫度載荷相對穩定;光學系統為如圖2所示的卡塞格林光學系統;外形結構為圓柱形,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光程差的變化情況。對于反射系統,主要關心光學反射面的面形變化和幾何位置變化。空間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,光學系統成像優劣的一個重要指標是系統的光學傳遞函數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換為結構分析的溫度載荷,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各個光學表面節點的位移△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,

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、協方差矩陣法、Householder變換法等。本文利用Householder變換法進行計算,各個光學表面處理的擬合精度均小于10 nm。

對熱彈性變形的結果進行處理是基于對原有節點位置和熱彈性變形的變形量的和,是系統發生熱彈性變形后的新的光學表面的幾何位置,波前差計算方法參照文獻。

    4.4光學計算
   
利用有限元計算,得到鏡面的變形值后,計算光學系統各個鏡面的波前差值,并通過擬合得到Zernike多項式系數,寫成CODEV軟件可以接收的接口文件(*.INT)格式,代入CODEV軟件中,得到光學系統在發生熱彈性變形條件下光學系統的調制傳函(MTF)曲線。該光學系統設計傳函如圖6所示。通過迭代計算,最終得到滿足光學指標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℃,所對應的光學系統傳函分別如圖7,8,9,10所示。

5 熱控指標
   
通過光機熱集成的分析方法計算,得到的示例光學遙感器在臨界溫度的傳函(60lp/mm)如表2所示,可以看出,整個光學遙感器溫度適應范圍為溫度水平變化10℃時,達到了光學指標要求的臨界值;而對于光學遙感器溫度分布的適應范圍為徑向溫差5℃、軸向溫差16℃、以及周向溫差8℃。可見本光學遙感器對徑向溫差最為敏感,對軸向溫差不甚敏感。
   
根據熱光學計算結果,得到整個光學遙感器的熱控指標,山于地面光學裝調溫度為20℃,整個光學遙感器溫度水平為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 結論
   
通過光、機、熱集成熱光學計算,為光學遙感器的熱控指標的擬訂提供了科學依據,解決了過去在方案設計階段無法合理擬訂熱控指標的難題,避免了制定熱控指標的盲目性。整個光機系統在溫度載荷作用下,各個反射鏡變形和位移具有相互補償的可能性,簡單地用光學誤差分配的標準作為單個反射鏡的熱控指標,或為了安全起見,盲目地提出過高的熱控指標都是不科學的。通過熱光學計算,可以得出光學遙感器系統在熱環境條件下的適應能力,并可以對光學遙感器在不同溫度條件下的光學性能進行預示,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的數據分析,能夠有的放矢地提出對熱控設計的要求,避免了指標的不合理造成熱控設計的過設計或設計不足。在遙感器的方案設計階段提出合理的熱控設計指標,提高了設計效率,降低了設計風險,并可以為以后熱光學試驗提供數據參考。

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