空間相機(jī)碳纖維薄壁筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)

1、空間相機(jī)碳纖維薄壁筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)空間遙感相機(jī)在對地觀測、太空探索等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)和軍事意義，隨著航天技術(shù)的發(fā)展和用戶對高分辨遙感產(chǎn)品日益增長的需求，大口徑、長焦距相機(jī)以其高分辨成像特性已成為空間相機(jī)的重要發(fā)展趨勢1。目前國際上大口徑遙感相機(jī)廣泛采用同軸三反光學(xué)系統(tǒng)2，此種系統(tǒng)中主、次鏡相對位置的變化對相機(jī)成像質(zhì)量影響很大，而大口徑、長焦距相機(jī)主次間隔大的特點(diǎn)又使得主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度進(jìn)一步增加。因此，如何合理地設(shè)計主次鏡支撐結(jié)構(gòu)，使其既能夠滿足光學(xué)設(shè)計要求又能夠適應(yīng)空間相機(jī)嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，是一個值得深入研究的問題3。目前，空間相機(jī)常采用的主次鏡支撐方案主要有單層桁架式、多層桁架式、

2、筒式及筒式+桿組合式等。單層桁架式支撐方案將單桿受彎特性轉(zhuǎn)化為多桿受拉，采用碳纖維桁架桿進(jìn)行搭接，工藝成熟且可靠性高，但外包絡(luò)大，內(nèi)部需要額外添加一層遮光罩，安裝工藝復(fù)雜，且整體重量偏大，一般用于中型相機(jī)，如美國HiRISE4望遠(yuǎn)鏡（口徑0.5 m）。多層桁架式方案即在單層桁架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加桁架結(jié)構(gòu)層數(shù)，彌補(bǔ)了單層桁架結(jié)構(gòu)隨焦距增加而導(dǎo)致的撓度過大問題，適用于更大口徑長焦距相機(jī)，如美國的Hubble5空間望遠(yuǎn)鏡（口徑2.4 m，主次間距4.5 m）、光機(jī)所李志來6等人研制的長焦距空間相機(jī)（口徑1.125 m，主次間距2.63 m）。筒式方案具有剛度大、包絡(luò)小、兼具遮光等特點(diǎn)，碳纖維材料的筒式結(jié)

3、構(gòu)，質(zhì)量輕且工藝日趨成熟，在空間相機(jī)中得到普遍應(yīng)用，通光口徑從0.4 m到1.4 m不等，如美國的Worldview47（口徑1.1 m）、KEPLER8望遠(yuǎn)鏡（口徑1.4 m）和韓國的Kompsat 3/3A9（口徑0.8 m）等。筒式+桿組合式方案10，下部為筒式結(jié)構(gòu)，上部為數(shù)根支桿對心向上，筒與桿相對高度可根據(jù)載荷條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，此類結(jié)構(gòu)輕量化率高，但整體剛度偏差，適用于中小型相機(jī)。本文基于大口徑、長焦距相機(jī)特點(diǎn)，以某型號同軸光學(xué)系統(tǒng)相機(jī)為研究對象，首先對主次鏡支撐基結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了選擇，隨后依照筒式基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對關(guān)鍵組部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計及分析選型。接著根據(jù)碳纖維鋪層可設(shè)計性，對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了關(guān)

4、鍵尺寸鋪層厚度鋪層角度的迭代優(yōu)化及工程分析。最后利用自準(zhǔn)直測量方法，驗證了結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性和穩(wěn)定性，通過力學(xué)環(huán)境試驗，檢驗了工程分析結(jié)果的正確性。2 設(shè)計2.1結(jié)構(gòu)材料的選擇相機(jī)采用同軸三反光學(xué)系統(tǒng)，主、次鏡間距為1 500 mm，為保證優(yōu)異的光學(xué)系統(tǒng)靜態(tài)傳函，要求主、次鏡相對位移變化量小于10 m，相對角度變化量小于7.2。同時，為克服火箭發(fā)射階段動力學(xué)輸入對相機(jī)的影響，一般要求相機(jī)整機(jī)基頻大于70 Hz，考慮主背板及各處連接關(guān)系對基頻的影響，要求主次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階固有頻率大于100 Hz。由于相機(jī)口徑大、焦距長，主、次鏡間距較大，若采用一般金屬材料，相機(jī)在溫變工況下次鏡相對主鏡軸向剛體位移

5、將難以控制。若增設(shè)次鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)，則造成系統(tǒng)前端重量增加，相機(jī)一階頻率下降，不利于提高空間相機(jī)的輕量化和動力學(xué)剛度。碳纖維復(fù)合材料具有密度小、比剛度高，同時具有單方向彈性模量和熱脹系數(shù)可設(shè)計等特點(diǎn)，已在航天相機(jī)中得到廣泛應(yīng)用11。通過不同的鋪層設(shè)計和加工工藝成型，可充分發(fā)揮支撐結(jié)構(gòu)各部位結(jié)構(gòu)剛度特點(diǎn)，同時得到較低的軸向熱脹系數(shù)，符合大口徑、長焦距相機(jī)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點(diǎn)。常用的碳纖維牌號主要有T系列和M系列，T系列作為高強(qiáng)度牌號廣泛應(yīng)用于遮光罩、光闌等部件，而相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)通常采用高模量的M系列。從性能和價格等多方面考慮，本文選用M40J作為主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的材料，其單層板的材料屬性如表1所示

6、。表1M40J單層板材料參數(shù)Tab.1Single-layer board material parameters of M40J型號Ex/GPaEy/GPaa1/-1a2/-1M40J2022-5.9e-72.83e-50.32.2主次鏡支撐基結(jié)構(gòu)形式的確定筒式基結(jié)構(gòu)相較于單層桁架式和雙層桁架式基結(jié)構(gòu)，具有包絡(luò)小且無需額外遮光組件等優(yōu)勢。同時桁架式基結(jié)構(gòu)裝配過程中需借助精密的裝配工裝來保證其并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的無應(yīng)力裝配，裝配過程復(fù)雜且周期較長；而筒式基結(jié)構(gòu)中工裝僅用于打定位銷孔，工裝精度要求較低，僅需一定精度的定位銷孔和帶肩螺釘即可完成裝配，裝配周期短且更容易控制裝配應(yīng)力。相較于筒+桿組合式結(jié)構(gòu)，

7、筒式基結(jié)構(gòu)次鏡支撐梁跨度更小，整體剛度更高，在較大口徑系統(tǒng)中力學(xué)特性要明顯優(yōu)于筒+桿組合式結(jié)構(gòu)。此外，由于碳纖維鋪層工藝的日趨成熟，對筒式基結(jié)構(gòu)重量影響最為顯著的筒壁可以越做越薄，使得筒式基結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間進(jìn)一步增大。因此，綜合考慮選擇筒式結(jié)構(gòu)作為給定光學(xué)系統(tǒng)的主次鏡支撐方案。2.3筒式支撐結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計目前，國內(nèi)外用于航天相機(jī)的筒式支撐結(jié)構(gòu)主要由次鏡支撐梁、筒身、前端加強(qiáng)環(huán)和縱向加強(qiáng)筋等組部件構(gòu)成2，7，10，12，如圖1所示。在確定筒式結(jié)構(gòu)作為主次鏡支撐基結(jié)構(gòu)形式后，根據(jù)筒式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依次對其次鏡支撐梁、前端加強(qiáng)環(huán)和縱向加強(qiáng)筋的幾何結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計與分析選型。圖1筒式支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig

8、.1Schematic diagram of the cylindrical support structure2.3.1次鏡支撐梁的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計常用的次鏡支撐梁主要有對稱支撐和偏置支撐兩種方式，其結(jié)構(gòu)形式示意圖分別如圖2和圖3所示。圖2對稱支撐方式Fig.2Symmetrical support method圖3偏置支撐方式Fig.3Offset support method為比較兩種次鏡支撐形式在筒式結(jié)構(gòu)下的優(yōu)劣性，分別將兩種支撐梁置于相同筒式結(jié)構(gòu)下進(jìn)行分析對比?？刂苾煞N支撐形式次鏡接頭質(zhì)量、梁截面形式和尺寸相同以及梁與接頭連接面積等一致。兩種支撐梁布局形式在筒式結(jié)構(gòu)下一階固有頻率、軸向頻

9、率和次鏡自重工況剛體位移如表2所示。表2次鏡支撐梁布局形式分析與對比Tab.2Analysis and comparison of layout form of secondary mirror support beam項目一階頻率/Hz軸向頻率/Hz次鏡自重位移/m對稱支撐110.6133.223.53偏置支撐113.8138.821.24分析對比2.89%4.20%-9.73%根據(jù)表2計算結(jié)果可知，次鏡支撐梁偏置形式下筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)較對稱方式一階固有頻率高2.89%，軸向頻率高4.20%，次鏡自重剛體位移小9.73%。由此可知，在筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)下，次鏡支撐梁布局采用偏置形式的力學(xué)性

10、能總體上優(yōu)于對稱形式，因此次鏡支撐梁選取了偏置支撐形式。2.3.2縱向加強(qiáng)筋的的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)碳纖維成型及粘接工藝，縱向加強(qiáng)筋的截面形式主要有“幾”型和“”型兩種，如圖4所示，其中“”型截面縱向加強(qiáng)筋通常成對對稱布置。圖4縱向加強(qiáng)筋截面形式示意圖Fig.4Schematic diagrams of the cross-sectional form of the longitudinal stiffener在相同截面面積下（同時保證與筒身側(cè)壁粘接部分截面面積一致），分別對兩種加強(qiáng)筋筒式結(jié)構(gòu)的一階固有頻率、軸向一階頻率和次鏡自重工況剛體位移進(jìn)行分析對比，計算結(jié)果如表3所示。表3縱向加強(qiáng)筋截面形式

11、分析與對比Tab.3Analysis and comparison of sectional forms of longitudinal stiffeners項目一階頻率/Hz軸向頻率/Hz次鏡自重位移/m“”型112.4139.522.24“幾”型114.5139.720.68分析對比1.87%0.14%-7.01%從表3可知，采用“幾”型截面縱向加強(qiáng)筋較“”型截面縱向加強(qiáng)筋，筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階固有頻率高1.87%，軸向一階頻率高0.14%，次鏡自重剛體位移小7.01%。由此可知，“幾”型截面縱向加強(qiáng)筋整體剛度更優(yōu)，因此選取“幾”型作為縱向加強(qiáng)筋截面形式。3 優(yōu)化筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)采用碳

12、纖維復(fù)合材料，是采用單層碳纖維板通過不同的鋪層角度和鋪層順序鋪設(shè)而成的層合板。支撐結(jié)構(gòu)中采用碳纖維鋪層的組部件主要有次鏡支撐梁、筒身、前端加強(qiáng)環(huán)和縱向加強(qiáng)筋，各部件根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力狀況的不同，又分別有不同的最優(yōu)鋪層厚度和鋪層角度。因此，根據(jù)碳纖維材料的這種鋪層特性，筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程可分為關(guān)鍵尺寸的遍歷、該尺寸下鋪層厚度的優(yōu)化和該鋪層厚度下鋪層的角度優(yōu)化以及此三步的迭代，優(yōu)化流程如圖5所示。圖5筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖Fig.5Flow chart of optimization of supporting structure of cylindrical primary and

13、secondary mirrors3.1關(guān)鍵尺寸的遍歷筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸主要包括次鏡支撐梁的高度Hliang和寬度Kliang、筒身前端加強(qiáng)環(huán)的高度Hhuan和寬度Khuan以及縱向加強(qiáng)筋的高度Hjizi和寬度Kjizi。依次更改以上參數(shù)尺寸，并對各次更改后的模型進(jìn)行鋪層厚度優(yōu)化及角度優(yōu)化。根據(jù)空間布局和實際加工工藝，對遍歷對象的取值范圍進(jìn)行約束，如表4所示。表4關(guān)鍵尺寸遍歷取值范圍Tab.4Value ranges of key dimension traverses變量最小值/mm最大值/mmHliang80120Kliang1216Hhuan2040Khuan5070Hjizi3

14、050Kjizi30603.2鋪層厚度優(yōu)化鋪層厚度優(yōu)化即尺寸優(yōu)化，一般也叫參數(shù)優(yōu)化13（改變模型參數(shù)值，網(wǎng)格模型保持不變），是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最基本層次，在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、布局和外形幾何的情況下，通過改變有限元分析中的單元特性，如板殼單元的厚度、桿梁單元的剖面（面積、慣性矩等），從而使結(jié)構(gòu)最輕而變形最小。由于航天結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中往往追求輕量化，故將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕14-15；考慮相機(jī)抵抗火箭發(fā)射過程中軸向輸入響應(yīng)、整機(jī)剛度以及光學(xué)設(shè)計所提出的主次偏心等指標(biāo)，以主次鏡支撐結(jié)構(gòu)軸向頻率、一階固有頻率和次鏡自重位移為約束條件，分別對次鏡支撐梁厚度Tliang、筒身厚度Tts、前端加強(qiáng)環(huán)厚度T

15、jqh和縱向加強(qiáng)筋厚度Tjqj進(jìn)行鋪層厚度優(yōu)化。優(yōu)化過程中各組部件材料屬性賦值上一鋪層角度優(yōu)化階段得到的等效鋪層參數(shù)，初始參數(shù)根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗賦值。該模型的數(shù)學(xué)描述為：findX=(Tliang,Tts,Tjqh,Tjqj)min(Mass)s.t.fz140Hz,f1120Hz,Disp0.02mm3mmTliang5mm1.5mmTts3mm2mmTjqh5mm1.5mmTjqj5mm3.3鋪層角度優(yōu)化鋪層角度優(yōu)化的目的是在確定結(jié)構(gòu)尺寸及鋪層厚度的情況下，通過調(diào)整鋪層角度及各角度比例，充分發(fā)揮各組部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)在重量一定的情況下，剛度進(jìn)一步提高?？紤]到實際鋪層工藝，支撐結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計

16、16采用對稱鋪層，消除耦合剛度，例如+45鋪層與-45鋪層必須成對出現(xiàn)。次鏡支撐梁以沿梁長度方向為0方向，采用0和15的鋪層角度，以充分發(fā)揮梁結(jié)構(gòu)抗拉的特性。筒身結(jié)構(gòu)以光軸方向為0方向，采用0、90、45的三種鋪層角度組成，其中45鋪層角度可同時提高筒身抗拉及抗扭特性，有利于保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；0、90混合鋪層，可搭配出最適合該尺寸結(jié)構(gòu)下筒身的等效彈性模量。前端加強(qiáng)環(huán)以周向為0方向，采用15和90的鋪層角度組成，為保證纖維連續(xù)性，應(yīng)盡量避免0鋪層；采用90鋪層可減少相同角度連續(xù)鋪層情況，提高鋪層工藝性。縱向加強(qiáng)筋以沿筋長度方向為0方向，采用0和15的鋪層角度，充分發(fā)揮桿結(jié)構(gòu)抗拉的特性。鋪層角度優(yōu)化

17、過程與尺寸優(yōu)化過程類似，優(yōu)化目標(biāo)為主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的剛度最高，約束條件為整機(jī)質(zhì)量與優(yōu)化前保持一致。分別對筒身0鋪層TS0、45鋪層TS45、90鋪層TS90，前端額外翻邊15鋪層TS15、90鋪層TS90和次鏡支撐梁0鋪層TS0、15鋪層TS15鋪層層數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可得到各部件等效鋪層參數(shù)，等效鋪層參數(shù)用于迭代過程中代入下一輪的鋪層厚度優(yōu)化階段。3.4迭代優(yōu)化結(jié)果通過結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸、鋪層厚度和鋪層角度迭代優(yōu)化，最終確定筒式結(jié)構(gòu)各部件關(guān)鍵尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)厚度及其鋪層角度，各部件鋪層厚度結(jié)果如表5所示，最優(yōu)鋪層角度等效參數(shù)結(jié)果如表6所示。表5各部件鋪層厚度優(yōu)化結(jié)果Tab.5Results

18、of layer thickness optimization for each part(mm)項目筒身額外翻邊次鏡支撐梁縱筋鋪層厚度2.04.03.11.5表6各部件鋪層角度優(yōu)化等效參數(shù)結(jié)果Tab.6Result of optimal equivalent parameters for key layup angles of each structure部件Ex/GPaEy/GPaa1/-1a2/-1筒身109.549.4-1.55e-72.17e-60.39額外翻邊45.9139.52.87e-6-1.86e-70.08次鏡支撐梁221.121.8-8.12e-75.58e-60.49縱

19、筋172.17.4-1.60e-62.02e-51.244 工程分析4.1靜力學(xué)分析空間相機(jī)的靜力學(xué)分析工況主要包括1g自重工況、2 均勻溫升工況以及1g自重與2 均勻溫升耦合工況。將優(yōu)化后的主次鏡支撐結(jié)構(gòu)帶入整機(jī)有限元模型，分別計算各工況下主次鏡相對位移與相對轉(zhuǎn)角，各工況變形云圖如圖68所示，計算結(jié)果如表7所示。圖61g自重工況下變形云圖Fig.6Deformation cloud diagram under 1g self-weight condition圖72 均勻溫升工況下變形云圖Fig.7Deformation cloud diagram under the condition of

20、 uniform temperature rise at 2 圖81g自重與2 均勻溫升耦合工況下變形云圖Fig.8Deformation cloud diagram under the coupling condition of 1g self-weight and 2 uniform temperature rise表7各靜力學(xué)工況下主、次鏡相對變形Tab.7Relative deformation of primary and secondary mirrors under various static conditions取向1g自重2 均勻溫升耦合工況相對位移/m相對轉(zhuǎn)角/（）相對位

21、移/m相對轉(zhuǎn)角/（）相對位移/m相對轉(zhuǎn)角/（）X向1.910.140.050.031.960.17Y向0.920.221.110.172.030.39Z向0.010.845.964.125.974.96根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果可知，在1g自重工況下主、次鏡最大相對位移為1.91 m，最大轉(zhuǎn)角為0.84；2 均勻溫升工況下最大相對位移為5.96 m，最大轉(zhuǎn)角為4.12；耦合工況下最大位移為5.97 m，最大轉(zhuǎn)角為4.96；滿足光學(xué)設(shè)計提出的主、次鏡相對位移小于10 m，相對轉(zhuǎn)角小于7.2指標(biāo)要求。4.2動力學(xué)分析約束主次鏡支撐結(jié)構(gòu)底端12個連接孔，進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)固有模態(tài)分析。計算得到其前14階頻率，其中

22、第3至13階頻率均為筒身局部模態(tài)，第14階為次鏡軸向頻率。主次鏡支撐結(jié)構(gòu)第13階和第14階模態(tài)分析結(jié)果與振型描述如表8所示，頻率振型如圖9所示。表8主次鏡支撐結(jié)構(gòu)第13和14階頻率及對應(yīng)振型描述Tab.8Description of the 1st-3rd and 14th order frequencies and corresponding mode shapes of the primary and secondary mirror support structures階數(shù)頻率f/Hz振型描述1129.1前端翻邊呼吸，帶動次鏡沿X向平動2129.4前端翻邊呼吸，帶動次鏡沿Y向平動3167

23、.6筒身局部模態(tài)14190.2次鏡沿Z向擺動圖9筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)約束狀態(tài)下振型Fig.9Vibration of cylindrical primary and secondary mirror support structure under restraint根據(jù)模態(tài)分析可知，主次鏡支撐結(jié)構(gòu)一階頻率為129.1 Hz，次鏡沿軸向頻率190.2 Hz，筒身由于壁厚較薄，在低階頻率中存在局部模態(tài)，但頻率為167.6 Hz，遠(yuǎn)高于火箭發(fā)射的100 Hz頻率。工程分析結(jié)果表明，筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)具有良好的動力學(xué)剛度，滿足設(shè)計要求。5 試驗驗證5.1靜力學(xué)檢測試驗碳纖維筒式主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)檢測

24、試驗包括穩(wěn)定性檢測試驗和繞Y軸翻轉(zhuǎn)180后的靜力學(xué)檢測試驗。穩(wěn)定性檢測試驗的目的是監(jiān)測次鏡安裝點(diǎn)相對于主次鏡支撐結(jié)構(gòu)底部安裝點(diǎn)在一段時期內(nèi)的變化量，以保證相機(jī)在裝調(diào)及工作狀態(tài)下系統(tǒng)波相差的穩(wěn)定性。具體檢測方法為：將主次鏡支撐結(jié)構(gòu)安裝于翻轉(zhuǎn)工裝，利用翻轉(zhuǎn)工裝將支撐結(jié)構(gòu)光軸置于水平狀態(tài)，分別在次鏡安裝點(diǎn)和翻轉(zhuǎn)工裝相應(yīng)表面粘貼棱鏡，并使用徠卡經(jīng)緯儀觀測兩棱鏡俯仰角度值（其測量誤差一般在1左右），兩棱鏡俯仰角差值變化量即為次鏡安裝點(diǎn)相對于支撐結(jié)構(gòu)底部安裝點(diǎn)變化量。對主次鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，如圖10所示，監(jiān)測過程中將環(huán)境溫度變化控制在0.2 ，空氣濕度變化在2%以內(nèi)，并做好記錄，監(jiān)測結(jié)果如表9所示。圖1

25、0使用經(jīng)緯儀進(jìn)行靜力學(xué)檢測試驗現(xiàn)場圖Fig.10Site map of static testing test using theodolite表9穩(wěn)定性檢測數(shù)據(jù)Tab.9Stability test data測量分組測量對象實測值/（）相對差值/（）變化值/（）測量時間Date/Time第1次測量工裝基準(zhǔn)90.132 0-21/14：37次鏡接頭89.833 4-0.298 6基準(zhǔn)21/14：54第2次測量工裝基準(zhǔn)90.131 2-22/09：20次鏡接頭89.832 5-0.298 7-0.3622/09：25第3次測量工裝基準(zhǔn)90.131 3-23/14：21次鏡接頭89.832 7-0

26、.298 6023/14：28根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，在溫度、空氣濕度相對恒定的試驗條件下，次鏡安裝點(diǎn)處棱鏡相對于工裝板處棱鏡俯仰角實測值相對差值變化量均小于（-0.2987-（-0.2986）3600=-0.36（），表明碳纖維筒式支撐結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。主次鏡支撐結(jié)構(gòu)繞Y軸翻轉(zhuǎn)180靜力學(xué)檢測試驗的目的是檢測主次鏡支撐結(jié)構(gòu)在重力方向由+X向變?yōu)?X向后次鏡安裝點(diǎn)相對于底部安裝點(diǎn)俯仰角變化量，以驗證次鏡轉(zhuǎn)角值是否滿足設(shè)計要求。具體檢測方法為：在穩(wěn)定性檢測狀態(tài)的基礎(chǔ)上，保證主次鏡支撐結(jié)構(gòu)與工裝板1固連不動，通過調(diào)整工裝板2相對板1位置狀態(tài)，實現(xiàn)主次鏡支撐結(jié)構(gòu)繞Y軸翻轉(zhuǎn)180，如圖11所示。圖1

27、1翻轉(zhuǎn)工裝實現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)繞Y軸翻轉(zhuǎn)180流程圖Fig.11Flow chart of turning the tooling to realize the support structure turning 180 around theY axis對翻轉(zhuǎn)后主次鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，檢測過程中保證環(huán)境溫度、濕度要求，檢測結(jié)果如表10所示。表10翻轉(zhuǎn)前后靜力學(xué)檢測數(shù)據(jù)Tab.10Static testing data before and after flipping測量分組測量對象實測值/相對差值/變化值/測量時間Date/Time翻轉(zhuǎn)前測量工裝基準(zhǔn)90.131 3-23/14：21次鏡接頭89.8

28、32 7-0.298 6基準(zhǔn)23/14：28翻轉(zhuǎn)后第1次工裝基準(zhǔn)90.075 1-23/14：57次鏡接頭90.373 4-0.298 3-0.5423/15：05翻轉(zhuǎn)后第2次工裝基準(zhǔn)90.074 8-24/10：40次鏡接頭90.373 20.298 40.3624/10：51根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，在溫度、空氣濕度相對恒定的試驗條件下，支撐結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)180前后次鏡安裝點(diǎn)處棱鏡相對于工裝板處棱鏡俯仰角實測值相對差值變化量均小于（-0.2983-（-0.298 6）3 600=1.08（），由于此結(jié)果為主次鏡支撐結(jié)構(gòu)在重力方向由+X向變?yōu)?X向后測量結(jié)果，故次鏡安裝點(diǎn)在1g自重下相對于底部安裝點(diǎn)俯仰角

29、變化值為1.08/2=0.54，考慮1級測量誤差，與計算結(jié)果0.14基本吻合，且小于指標(biāo)要求的7.2。表明碳纖維筒式支撐結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)剛度，滿足光學(xué)設(shè)計要求。5.2動力學(xué)試驗為進(jìn)一步驗證結(jié)構(gòu)動力學(xué)剛度和仿真分析的準(zhǔn)確性，將載有主次鏡支撐結(jié)構(gòu)的振動工裝固定于振動臺上，進(jìn)行特征級正弦掃頻振動試驗。振動工裝通過50顆M16螺釘與振動臺連接，經(jīng)有限元計算不會影響主支撐結(jié)構(gòu)振動結(jié)果。試驗輸入條件如表11所示。分別在主次鏡支撐結(jié)構(gòu)筒身、前端翻邊和次鏡安裝面等處粘貼加速度傳感器，并利用水平振動臺和垂直振動臺開展3個方向的掃頻振動試驗，現(xiàn)場照片如圖12所示。圖13和圖14分別為前端翻邊處傳感器在X、Y向掃

30、頻下響應(yīng)曲線，圖15為次鏡安裝面處傳感器在Z向掃頻下響應(yīng)曲線。各處響應(yīng)頻率試驗結(jié)果與仿真結(jié)果分析對比如表12所示。表11特征級正弦掃描振動試驗條件Tab.11Characteristic-level sinusoidal sweep vibration test conditions頻率范圍/Hz振動幅值掃描率/（octmin-1）105000.1g4圖12主次鏡支撐結(jié)構(gòu)在3個方向的掃頻試驗（其中X、Y向共用一個振動臺）Fig. 12Frequency sweep test of primary and secondary mirror support structure in 3 directions （whereX and Y directions share a shaking table）圖13主次鏡支撐結(jié)構(gòu)X向掃頻響應(yīng)曲線Fig.13X-direction sweep response curve of primary and secondary mirror support structures圖14主次鏡支撐結(jié)構(gòu)Y向掃頻響應(yīng)曲線Fig.14Y-direction sweep response cu