空间光学镜头可适应边界温度的cae计算方法

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1、空间光学镜头可适应边界温度的CAE计算方法

2、第1内容显示中1引言空间光学遥感器在轨工作中承受严酷的空间热环境的考验，为了保证空间光学遥感器在外空间恶劣的温度环境下正常工作，提高空间光学遥感器的空间热环境适应能力，人们已经做了很多努力，也取得了一些成果，如从各个方面提高遥感器自身的成像能力、利用光学补偿的方法、选用热畸变更小的镜坯材料以及采用光学元件与支撑构件的线胀系数匹配等。这些方法在一定程度上增强了空间光学遥感器的热环境适应能力，降低了对空间遥感器热设计指标的要求，然而好的热控措施仍然是空间光学遥感

3、器能顺利完成空间观测任务的必要保证。如何增强空间遥感器本身的温度环境适应能力，提出合理的结构设计，并在此基础上提出合理的热设计指标是做好空间光学遥感器热控设计的关键因素。在空间光学遥感器的设计阶段，设计人员往往保守地提出较高的热控指标要求，从而导致热设计难度增加，研制成本提高，可靠性降低。本文提出了空间光学遥感器的热光学计算方法，并通过温度场描述和光机热集成的热光学计算，预示了光学遥感器对温度载荷的敏感程度，得出保证光学遥感器能够成像的合理温度范围，从而完成了遥感器从光学指标到温度指标的转换，合理地提

4、出了光学遥感器的热设计指标，避免热设计的过设计或设计不足。2计算流程利用计算机仿真手段，进行空间光学遥感器镜头可适应边界温度(将作为镜头热控设计的指标)计算，流程如图1所示。首先，对光学遥感器进行温度场载荷的设定;第二，计算在设定温度场作用下，光学遥感器热弹性变形的情况，并提取光学表面的变形参数进行波面拟合。第三，把光学表面的变形参数叠加到初始设计的理想光学系统，计算在热弹性变形的情况下是否能够满足光学遥感器的光学指标。通过以上3个步骤的反复迭代计算，最终得到可以满足光学成像指标要求的临界温度值，也就

5、是理论上的热控指标。3温度场描述温度场的描述方法是空间光学遥感器热控指标计算的关键问题。针对空间光学遥感器自身特点，对光学遥感器在轨工作可能存在的温度场状态进行描述，使计算分析设定的温度载荷工况能够全面覆盖在轨可能出现的温度场状态。根据轨道类型的不同，空间光学遥感器所受的温度载荷也不同，对热设计提出不同的要求。各种不同的温度载荷在仿真设计阶段要求都能给以充分的模拟，这就要求对空间光学遥感器可能经受的温度场情况进行充分的描述。对于空间光学遥感器的温度场描述主要可从均匀温度水平和光学遥感器内部的温差两个方

6、面进行。对于各种不同的光学系统，可以有不同的温度场描述方法，根据所取坐标参考的不同来进行。例如，对于轴对称的同轴系统，可以采用柱坐标。温差的描述主要从轴向、径向、周向三个方向进行，对于离轴的非圆周对称系统可以采用笛卡儿坐标，主要对三个坐标方向的温差描述。确定光学遥感器的温度场描述方法后，就可以人为的进行温度场假定，进而探讨光学遥感器在各种温度载荷作用下的温度载荷适应能力。本文探讨的光学遥感器的轨道采用太阳同步轨道，经受的空间温度载荷相对稳定;光学系统为如图2所示的卡塞格林光学系统;外形结构为圆柱形，反

7、射镜位置及光路如图3所示。本文采用圆柱坐标系对可能存在的温度场进行描述，分别为均匀温度水平和沿轴向、周向、径向三个方向的温差，温度场描述设定如表1所示。4热光学计算根据光学遥感器温度场的描述及设定的温度条件进行热光学计算。热光学计算是计算在给定的温度载荷作用下，由于结构的热弹性变形引起的光学表面的面形变化、几何位置变化及透镜折射率梯度的变化所引起的光学系统光程差的变化情况。对于反射系统，主要关心光学反射面的面形变化和几何位置变化。空间光学遥感器的热光学计算包括温度场计算、热弹性计算和光学计算3个主要步

8、骤，光学系统成像优劣的一个重要指标是系统的光学传递函数MTF。本文光学遥感器镜头传函指标为4.1温度场计算热光学计算的第一步是利用给定的温度边界条件，计算整个光学遥感器的温度场分布，在热的传递路径中考虑连接构件间的接触热阻、热辐射藕合等因素。以设定的温度载荷作为边界，计算整个光学遥感器的整机温度场分布。本文采用TMG软件作为温度场分布的计算工具。4.2热弹性计算热光学计算的第二步是热弹性计算，第一步计算得到的温度场分布作为本步的边界条件，作为温度载荷施加到遥感器，计算在该温度场作用下遥感器的热弹性变形

9、情况，得到光学表面面形以及光学元件间相对位置变化，进而转换为光学计算的输人条件，进行光学性能评价计算。本文利用有限元分析软件(MSC.PATRAN/NASTRAN)建立有限元模型如图4所示，把TMG所计算的光学遥感器的温度场载荷转换为结构分析的温度载荷，利用分析软件NASTRAN进行遥感器光学镜头的热弹性变形计算，计算完成后处理得到光学遥感器光学系统各个光学表面节点的位移△X,△Y,△Z。各光学元件在温度载荷作用下的变形如图5所示。4.3波面拟合对热弹性