蔡偉軍 范斌 張鳳芹 李慶林 魏鑫

（北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

“資源三號”衛(wèi)星是中國第一顆民用立體測繪衛(wèi)星，衛(wèi)星通過三線陣相機拍攝高幾何定位精度的立體圖像，通過多光譜相機影像與三線陣正視相機全色影像的融合處理，確定地形圖上主要地物的物理屬性，生成彩色正射影像產(chǎn)品。為確保對所觀測地物的平面定位精度，用戶及衛(wèi)星總體對多光譜相機在軌內(nèi)方位元素（主點、主距、畸變）的穩(wěn)定性也提出了嚴格的要求。經(jīng)分析，相機入軌后，引起內(nèi)方位元素變化的主要因素是由于衛(wèi)星及相機主體溫度的波動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱變形和熱應力[1-2]。另外，相機還要經(jīng)歷嚴酷的發(fā)射環(huán)境，因此為了保證入軌后具有良好的成像品質(zhì)，相機需具有高的力學和熱穩(wěn)定性。

多光譜相機光機主體采用三反離軸光學系統(tǒng)，如圖1所示。相機主要包括：主鏡組件、三鏡組件、次鏡組件、平面鏡調(diào)焦組件、焦面組件、主體框、遮光罩以及柔性卸載裝星結(jié)構(gòu)等。

本文從影響相機在軌成像品質(zhì)和內(nèi)方位元素穩(wěn)定性的因素出發(fā)，結(jié)合三反離軸相機的特點，分別從反射鏡支撐設計、高剛度主體結(jié)構(gòu)設計以及柔性卸載裝星結(jié)構(gòu)設計等方面重點介紹多光譜相機高穩(wěn)定性光機主體設計技術。

2 反射鏡組件的設計及分析

反射鏡組件是遙感相機的核心部件，其面形精度和位置精度直接影響光學系統(tǒng)的成像品質(zhì)及光學系統(tǒng)內(nèi)方位元素。在軌真空、熱交變等復雜的環(huán)境條件將會引起相機結(jié)構(gòu)變化，從而產(chǎn)生的應力傳入反射鏡將使得面形超差，導致成像品質(zhì)下降，因此要求反射鏡組件具有一定的剛度滿足發(fā)射環(huán)境的同時，具有一定的應力卸載設計，保證反射鏡具有較好的穩(wěn)定性[3-5]。

以主鏡為例介紹反射鏡的無應力支撐設計。主鏡采用多點球鉸支撐結(jié)構(gòu)，通過中心1點及側(cè)面3點支撐結(jié)構(gòu)的自由度解耦設計，在支撐框與反射鏡之間實現(xiàn)靜定支撐，如圖2所示。這種靜定結(jié)構(gòu)不會將因熱不匹配或裝配失調(diào)產(chǎn)生的外應力傳至反射鏡[6]，從而保證反射鏡面形的穩(wěn)定。

利用有限元分析方法和數(shù)值技術手段，對反射鏡組件在軌重力釋放和在軌溫度變化2℃情況下的面形變化和位置變化進行了仿真分析，結(jié)果如圖3～5所示，圖中PV為面形的峰谷值，RMS為面形的均方根值。圖3中的最大位移為0.005 54mm，PV值為2.665 7nm，RMS為0.367 7nm；圖4中的最大位移為0.011 2mm，PV值為3.003 4nm，RMS為0.508 9nm；圖5中的最大位移為0.023mm，PV值為3.627 3nm，RMS為0.463 3nm。

可見，主反射鏡組件在自重和溫度影響下，最大面形RMS為0.508 9nm，小于1×10-3，反射鏡最大位置變化為0.023mm，小于光學系統(tǒng)公差要求的0.04mm。驗證了這種多點柔性球鉸支撐具有較好的卸載作用，能夠保證反射鏡在空間環(huán)境中面形的穩(wěn)定[7-8]。

反射鏡裝框后，在針對不同方向和不同溫度（18℃～22℃）環(huán)境對反射鏡進行了面形檢測，結(jié)果如圖6所示，反射鏡面形RMS為狀況前后的測試結(jié)果均為2×10-2，保持不變，進一步驗證了反射鏡支撐結(jié)構(gòu)具有較好的應力卸載能力。

另外，根據(jù)振動試驗結(jié)果顯示，反射鏡組件基頻為211Hz，具有較高的設計剛度，能夠滿足發(fā)射段環(huán)境要求。

3 主體結(jié)構(gòu)的設計

相機主體結(jié)構(gòu)為相機各重要部組件提供可靠的支撐，保證光學系統(tǒng)所要求的各光學元件與像面之間準確的位置關系，因此，主體結(jié)構(gòu)的主要目標是在一定的體積和質(zhì)量條件下，滿足高剛度、高力學穩(wěn)定性設計。

相機主體結(jié)構(gòu)采用鈦合金整體鑄造框的形式，設計過程中采用拓撲優(yōu)化設計技術，得到具有較好比剛度的結(jié)構(gòu)布局形式，如圖7所示。在主體結(jié)構(gòu)輕量化詳細設計過程中，利用尺寸優(yōu)化技術對各加強筋及面板的厚度進行優(yōu)化，使其比剛度進一步提高。

相機主體仿真結(jié)果如圖8所示：1階模態(tài)為151Hz，振型是沿著Y向的擺動，2階模態(tài)是246Hz，振型是沿著Z向的擺動。結(jié)構(gòu)相機振動試驗結(jié)果為1階模態(tài)146Hz，方向是Y向，2階模態(tài)260Hz，方向是Z向，設計結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，且能夠滿足衛(wèi)星要求。

另外，相機主體隨機振動試驗結(jié)果顯示，主鏡組件、三鏡組件、折轉(zhuǎn)鏡組件及次鏡組件等測量點的響應均方根放大倍數(shù)均不超過3，主體結(jié)構(gòu)具有較好的動力學特性，能夠保證相機經(jīng)過發(fā)射段入軌后反射鏡位置關系穩(wěn)定性。

4 相機柔性卸載裝星設計

多光譜相機采用三反離軸光學系統(tǒng)形式，對反射鏡間的角度關系要求較高（光學公差要求小于10″）。相機主體與衛(wèi)星頂部構(gòu)架的熱耦合分析顯示：當相機主體與載荷艙頂部構(gòu)架直接連接情況下，如果相機主體與頂部構(gòu)架出現(xiàn)5℃的溫度差，熱變形引起的相機反射鏡角度變化將超出光學系統(tǒng)公差要求范圍（約為40″），直接影響多光譜相機的成像品質(zhì)和內(nèi)方位元素，為了提高相機主體的環(huán)境適應性，在相機與衛(wèi)星之間采用了柔性熱卸載裝星設計。

卸載結(jié)構(gòu)的設計采用柔性鉸鏈原理，通過在4個安裝腳處合理選擇自由度釋放方向使其具有一定程度的熱變形卸載能力[9-10]，如圖9所示。

根據(jù)經(jīng)過優(yōu)化設計確定的結(jié)構(gòu)形式，建立有限元模型，結(jié)合數(shù)值計算手段對柔性卸載結(jié)構(gòu)的卸載性能進行分析，分析的工況是相機20℃不變，衛(wèi)星溫度由20℃升高到35℃，即相機與衛(wèi)星之間存在15℃的溫差，計算結(jié)構(gòu)變形后各反射鏡相對于原來位置的角度變化情況，結(jié)果如表1所示：

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為直接驗證柔性卸載結(jié)構(gòu)的卸載能力，進行了相機在軌熱穩(wěn)定性模擬試驗。試驗過程中實驗室溫度控制在（20±1）℃，相機與艙板在該溫度下進行裝配，試驗時相機主體溫度不變。為了更大范圍的驗證不同溫度情況下的卸載能力，艙板溫度通過主動溫控手段由20℃分別升到35℃和40℃，使相機與安裝結(jié)構(gòu)間溫差達到20℃。過程中測試相機各反射鏡的角度變化，為了排除相機支架整體角度變化對反射鏡角度的影響，通過測量次鏡和三鏡相對于主鏡的角度變化，得到的結(jié)果見表2：

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試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致，反射鏡傾斜角度滿足光學設計要求，柔性卸載結(jié)構(gòu)較好的實現(xiàn)了熱變形卸載功能，保證了相機在軌熱穩(wěn)定性及較強的溫度適應性。

5 多光譜相機高穩(wěn)定性驗證

為了驗證采用多種穩(wěn)定性設計措施的相機環(huán)境適應能力，從相機傳函及內(nèi)方位元素性能層面進一步驗證其良好的穩(wěn)定性能，在多光譜相機研制過程中的振動試驗前后以及熱真空試驗后，對相機內(nèi)方位元素及傳函進行了測試和對比，結(jié)果如表3所示。

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根據(jù)總體要求，相機的視主點的標定精度為5μm（0.5像元），視主距的標定精度為優(yōu)于20μm，相機全視場平均傳函（MTF）優(yōu)于表4中所示的指標要求。由結(jié)果可以看振動試驗前后，相機視主點及視主距變化量均在測試誤差范圍內(nèi)，相機傳函測試結(jié)果穩(wěn)定且滿足了設計指標。

多光譜相機主體熱真空試驗中，為了驗證相機對衛(wèi)星溫度環(huán)境的適應能力安排了相機安裝底板與相機間的溫度拉偏測試，試驗過程相機溫度為20℃，底板從10℃～30℃范圍進行溫度拉偏，分別測試了不同溫度點的相機B2譜段的傳函值，結(jié)果顯示相機B2譜段的傳函變化范圍在0.37～0.39，滿足設計要求，且基本無變化，

通過以上測試和試驗結(jié)果可以看出，多種穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設計有效地保證了多光譜相機在軌復雜溫度環(huán)境下的良好成像能力和性能穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

本文從影響相機穩(wěn)定性設計的幾個關鍵技術著手，介紹了反射鏡的消應力支撐設計、主體結(jié)構(gòu)的高力學性能設計和裝星熱卸載設計，最后對整臺相機進行了分析及試驗。試驗結(jié)果表明，通過以上多種穩(wěn)定性設計技術的采用，保證了多光譜相機有良好的力學和熱穩(wěn)定性，從而確保相機在軌的成像品質(zhì)和較高的幾何定位精度。

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