卫星红外遥感器辐射定标光机系统热-结构耦合变形分析

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1、航天器环境工程第28卷第l期46SPACECRAFTENvIRONMENTENGINEERnqG2011ff?2月卫星红外遥感器辐射定标光机系统热．结构耦合变形分析肖庆生1，杨林华2，赵寿根3(1．中国空『日J技术研究院，北京100094=2．北京卫星环境工程研究所，北京100094；3．北京航空航天大学航空科学与工程学院。北京100191)摘要：辐射定标光机系统在模拟空间环境下的热变形直接影响定标光学系统成像质量，并决定星载遥感器辐射定标试验精度。文章建立的辐射定标光机系统有限元模型，以某卫星多光谱扫描仪辐射定标试验中的实测温度变化作为温度载荷，计算和研究了该系统在真空低温环境下的热一结构耦

2、合变形的分布情况和分布规律。结果表明：在非均匀稳态低温环境下，该系统光学支架热变形使主镜及主反射镜发生刚性位移，引起垂轴方向位移、倾斜，黑体的离焦和光学系统焦距变化；反射镜表面畸变RMS值均为1／40波长以下，可以满足实际光学系统的面形准确度要求．关键词：辐射定标：低温；热一结构耦合；有限元分析中图分类号：TH741；TBll5文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)01-0046-06DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2011．01．009O引言卫星红外遥感器辐射定标系统主要用于卫星发射前对其所携带的光学遥感器的响应特性进行辐射定标，为用户提供定标曲线。

3、随着我国遥感技术的发展，遥感卫星越来越多地应用在宇宙探测、海洋、测绘、气象观测、环境监测、地球资源探测等领域，对遥感器定标精度的要求也越来越高Il‘21。本文所研究的辐射定标光机系统主要由光学支架、黑体、积分球、主镜、主反射镜、次反射镜等分系统组成，系统的装调试验在常温～100K的环境下进行。光学系统的成像质量主要与系统的自重变形和温度变形有关。自重变形主要指光学支架、反射镜及其支撑机构等在重力作用下的自然变形，对于大型精密光学系统，此变形已不能忽吲驯：温度变形是指当光机系统在空间环境模拟器内温度交变环境下，由于各分系统材料不同，热传导系数较小，热交换不均匀，在光学支架各位置温度分布不均匀导致

4、各分系统不同程度的热弹性变形最终引起的光学系统中各反射镜的刚体位移和表面畸变。1热弹性变形分析理论图l为辐射定标光机系统模犁。图1定杯系统模型Fig．1Modelofradiometriccalibrationsystem辐射定标光机系统所处的空间环境模拟器内是一个全封闭的真空低温环境。影响定标系统空间温度场的主要因素有热沉温度、光学平台上电子小仓和温控小仓的温控。在控温系统的调节下，温度场在某一时间处于相对稳定状况，但由于反射镜、镜框、镜座及光学平台的材料不同而受热不均，这也将引起各机械结构的热变形。由于热交换的存在，环境中的热载荷以3种边界条件(热传导、对流、辐射)的形式作用于光机系统，在

5、这些因素的共同作用下，光机系统温度的改变可以表示为14j收稿日期：2010-10-09：修回日期：201l-01一13作者简介：肖庆生(1987一)，男，硕士研究生，主要研究方向为空间光学工程cAD，CAE技术；E—mail：xqs．hit@163．com．杨林华(1962一)，女，研究员，主要从事卫星光学遥感器模拟空间环境下辐射定标技术，空间太阳辐照环境模拟技术的研究工作：联系电／6：(010)68745209．第l期肖庆生等：卫星红外遥感器辐射定标光机系统热一结构耦合变形分析47胪百8T=去(丑罢)+否aL(x，a钞T、j+虱a(2：a岔T厂、lm，(1)式中：p为材料密度，kpdm3；C

6、为材料比热容，J／(kg‘K)；4、九、五分别为沿x、Y、z方向的导热系数，W／(m·K)；口，为结构内部热源密度，W／(m，．s1：t为时间，s。在本文中，由于材料各向同性、无内热源，式(1)可以写为胪鲁叫鲁+鲁+警，。Q，胪百2z【瓦+丙+瓦)。u’一般有热流又有介质放热的混合边界条件方程为z(娑)，+口(r一乙)：o，(3)式中：F表示物体边界：a为换热系数，W／(m2．K)；刀为边界条件；瓦为周闻介质环境温度，K。联立式(2)、式(3)并求解，得到光学元件的温度分布。根据传热学原理，由温度变化引起的热应变为{日，={乞，弓，乞，勺，&，乞)T=口{△正，△弓，△z，oiT，(4)式中：

7、{占)，为应变向量；Dr,、Dr,、Dr,为x、Y、z向温差，单位为K。应力和应变的关系‘41为{盯)=D{占)，，(5)式中：{盯)为应力向量；D可表示为『-南南。。]良南。00。。0II-∥l·∥l上上o胪踹■0∥0生00l(6)(1+从l-圳lo生I—Z【l-肋Ioo生0loo旦I其中∥为泊松I：k，E为弹性模量。光学元件节点位移,lii变形之间的关系为眉。{Q)。=J盯口TD{占)，出妙d