呂華昌,陳念江,鐘聲遠(yuǎn),李楠楠,耿園園

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

激光反射器又稱激光合作目標(biāo)(Laser Retro-Reflector,簡(jiǎn)稱LRR),裝載在衛(wèi)星表面,其作用是將地面人衛(wèi)測(cè)距站發(fā)射的激光光束按入射方向反射回地面,以實(shí)現(xiàn)地面測(cè)距站和衛(wèi)星之間的遠(yuǎn)距離測(cè)量(Satellite Laser Ranging,SLR)。除此之外,激光合作目標(biāo)在對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等物體的精密測(cè)量中也有廣泛的應(yīng)用[1-3]。

為完成科學(xué)目標(biāo)的精確測(cè)量,激光反射器組件必須滿足衛(wèi)星載荷的技術(shù)指標(biāo),包括測(cè)量距離、測(cè)量范圍以及測(cè)量精度等。同時(shí)為保證科學(xué)測(cè)量任務(wù)的可靠實(shí)施,反射器組件應(yīng)滿足衛(wèi)星地面段(制造、組裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、試驗(yàn)等條件)、發(fā)射段(聲、振動(dòng)、沖擊和加速度等力學(xué)環(huán)境)以及軌道運(yùn)行階段(真空、微重力、高低溫交變、強(qiáng)輻射等空間環(huán)境)三個(gè)階段的環(huán)境和載荷要求[4]。

衛(wèi)星激光反射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是激光反射器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,主要包括反射器陣列結(jié)構(gòu)布局、角反射器組件結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)環(huán)境防護(hù)、環(huán)境載荷仿真分析等內(nèi)容,本文以Galileo衛(wèi)星激光反射器為例,闡述了中高軌衛(wèi)星激光反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需解決的一系列問(wèn)題和措施途徑。

2 結(jié)構(gòu)布局和組成

星載激光反射器的結(jié)構(gòu)通常采用若干角反射器陣列結(jié)構(gòu)組成,與單一角反射器CCR相比,可減小尺寸和重量,提高合作目標(biāo)遠(yuǎn)場(chǎng)角,減小光束發(fā)散角,對(duì)傳輸中激光因大氣非均勻性引起的畸變進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償。為實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)的有效測(cè)量,激光后向反射器組件應(yīng)具有較高的激光反射率和較小的發(fā)散特性,以保證反射信號(hào)具有足夠的光強(qiáng)[1]。

對(duì)于低軌衛(wèi)星,激光反射器通常采用半球(圖1(a))或半圓臺(tái)結(jié)構(gòu)(圖(b)),使陣列的有效反射面積在觀測(cè)區(qū)域?qū)ΨQ分布且保持均勻,保證在低仰角條件下也可完成測(cè)距；對(duì)于中高軌衛(wèi)星,則采取平面排列方式(圖1(c))；導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭用激光反射器結(jié)構(gòu)與低軌衛(wèi)星類似(圖1(d))；月球用激光反射器結(jié)構(gòu)與中高軌衛(wèi)星類似(圖1(e))[1-2]。

圖1 各種激光反射器結(jié)構(gòu)

Galileo衛(wèi)星設(shè)計(jì)軌道高度為23200 km,屬于中軌衛(wèi)星,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取平面類圓形排列方式(圖2),布局包絡(luò)直徑小,結(jié)構(gòu)緊湊、各個(gè)角反射器組件可分別獨(dú)立安裝、調(diào)試,裝調(diào)便利。

激光反射器結(jié)構(gòu)由固定基板、角反射器陣列組件以及相應(yīng)的固定安裝連接件組成(圖2),固定基板采取金屬蜂窩菱形優(yōu)化結(jié)構(gòu),重量輕便同時(shí)兼具良好的結(jié)構(gòu)剛度。

圖2 Galileo衛(wèi)星激光反射器外形

角反射器為四面體錐狀棱鏡結(jié)構(gòu),具有空間定向發(fā)射特性。作為一種無(wú)源光學(xué)器件,角反射器的特性(形狀、幾何尺寸、角誤差、鍍膜等)決定激光反射器的性能。例如,直角面鍍膜的角誤差決定激光反射器的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑分布和速度光行差補(bǔ)償；直角面鍍膜的角反射器可增大傾斜角,適宜低軌衛(wèi)星；對(duì)于高軌衛(wèi)星,反射率為主要問(wèn)題,通常采用不鍍膜方式等；而角反射器的結(jié)構(gòu)組裝方式,尤其是機(jī)械結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)力直接改變和影響反射器幾何形態(tài),一定程度上影響光學(xué)性能[1,5-6]。

Galileo衛(wèi)星角反射器的結(jié)構(gòu)固定以變形最小原則進(jìn)行設(shè)計(jì),考慮衛(wèi)星特點(diǎn),角反射器采取直角面不鍍膜方式,因此,不可使用直角面彈性固定的方式,必須使其固定部位在光學(xué)有效反射截面之外。

單個(gè)角反射器組件結(jié)構(gòu)由金屬殼體、角反射器和角反射器彈性/緩沖結(jié)構(gòu)單元組成。為防止CCR松動(dòng)和保護(hù)角反射器,在金屬殼體座和角反射器之間添加彈性/緩沖結(jié)構(gòu)單元,角反射器彈性/緩沖結(jié)構(gòu)單元即可用于減振緩沖,又可用于熱高低溫環(huán)境變化引起的軸向間隙補(bǔ)償。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要問(wèn)題和途徑

作為激光反射器的基礎(chǔ),反射器結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、剛度和精度維持反射器的正常功能,滿足星載對(duì)其結(jié)構(gòu)特性(質(zhì)量和尺寸)、固有頻率、環(huán)境試驗(yàn)、空間輻照、靜電防護(hù)(ESD)、隔熱傳導(dǎo)等方面的技術(shù)要求。

3.1 材 料

反射器材料設(shè)計(jì)應(yīng)保證剛度、強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等機(jī)械結(jié)構(gòu)性能,滿足相應(yīng)的空間環(huán)境穩(wěn)定性、熱物理性能、材料真空出氣要求和制造工藝性能要求[4]。

作為高軌星載艙外設(shè)備,Galileo激光合作目標(biāo)需滿足壽命12年(外露零件需承受109lad粒子射線輻射),設(shè)計(jì)工作溫度-160～140 ℃的高真空環(huán)境要求。

設(shè)計(jì)選取航天A級(jí)防銹鋁基合金,以滿足結(jié)構(gòu)基體的重量、強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕性和機(jī)械可加工性要求；選取工作溫度范圍廣(-200～260 ℃)、機(jī)械性能好、抗輻射性高的聚酰亞胺(PI)作為隔熱材料；選取比強(qiáng)度高的鈦合金作為螺釘連接材料；選取高低溫彈性穩(wěn)定性高的鈹青銅作為彈性鎖緊材料。

為保證星載環(huán)境和三向消應(yīng)力要求,核心關(guān)鍵光學(xué)角反射器材料采用優(yōu)質(zhì)宇航3D級(jí)高純?nèi)廴谑⒉ＡВ惠椪諌勖鼘?shí)驗(yàn)表明,在承受109lads輻射之后,石英玻璃透光性完好,樣片光學(xué)性能變化微小(試片厚度5 mm,透過(guò)率僅由92.80%降低至92.52%)。

3.2 減振隔沖

在地面段、衛(wèi)星發(fā)射段或軌道運(yùn)行階段,反射器會(huì)承受多次寬頻帶高量級(jí)任意方向、不同種類的振動(dòng)或沖擊。過(guò)大的振動(dòng)和沖擊會(huì)對(duì)反射器組件的結(jié)構(gòu),特別是對(duì)角反射器CCR容易造成變形或損傷,從而影響壽命和工作精度,對(duì)于高軌長(zhǎng)壽命衛(wèi)星,通常所采用的橡膠、聚氟乙烯等常規(guī)工程減振材料均無(wú)法滿足要求。

Galileo結(jié)構(gòu)通過(guò)添加專研減振材料,局部和整體防護(hù)方式解決了此問(wèn)題,采用本減振隔沖技術(shù)的激光反射器整體通過(guò)了全部的機(jī)械和熱環(huán)境鑒定試驗(yàn),其中單個(gè)角反射器可經(jīng)歷持續(xù)時(shí)間為240 s150 gRMS綜合量級(jí)的隨機(jī)振動(dòng)、X/Y/Z向機(jī)械沖擊波(100 Hz:40g;1500 Hz:2200g,10000 Hz:2200g)以及8次的-155～+135 ℃的高低溫真空循環(huán),試驗(yàn)完畢機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能均保持完好一致。

3.3 靜電防護(hù)(ESD)

靜電積累可能對(duì)設(shè)備自身或星體其他電子設(shè)備造成損傷,加上石英玻璃為非導(dǎo)電絕緣體,正常情況下靜電荷無(wú)法安全釋放,必須考慮靜電防護(hù)。

為增加靜電荷傳遞效率和可靠性,采取下述途徑:

1)在角反射器入(出)光表面鍍ITO導(dǎo)電膜,促使靜電荷快速釋放；

3)導(dǎo)體之間采用大量多點(diǎn)面接觸,任意一點(diǎn)面的失效不影響電荷的傳遞；

經(jīng)測(cè)試,Galileo激光后向反射器接地良好,角反射器光學(xué)表面和接地位置的最大電阻值小于0.3 mΩ,滿足設(shè)計(jì)要求(小于10 mΩ)。

3.4 熱 控

作為空間艙外設(shè)備,反射器和衛(wèi)星之間的傳熱包括傳導(dǎo)和輻射兩種途徑[7]。

星載外露設(shè)備表面的熱輻射性質(zhì)決定于熱控涂層表面的特性(熱吸收率αs和輻射率ε),特別是在高真空太空環(huán)境下,衛(wèi)星和周圍環(huán)境之間的傳熱只有通過(guò)輻射方式完成。

為減少激光后向反射器和衛(wèi)星本體之間的熱漏,維持衛(wèi)星本體各工作設(shè)備的溫度穩(wěn)定,需進(jìn)行低導(dǎo)隔熱熱控設(shè)計(jì)。

1)自身溫度的控制

反射器自身溫度的控制是對(duì)基體外露元件的表面熱物理特性進(jìn)行合理的熱參數(shù)設(shè)計(jì)。

敬按：先襄毅公嘗云；元季兵燹譜牒散逸，無(wú)從追考。始以八一府君為始。曰始者，不得已而權(quán)之之詞也。后獲山陰舊譜及家乘，則自評(píng)事公至八一公七世犁然可考，又安得不以評(píng)事為始遷祖乎？既以評(píng)事為始遷祖，則不得有二始始，追而謹(jǐn)書之，期無(wú)失乎襄毅之遺意也。[1]

Galileo采用航天鋁光亮陽(yáng)極氧化工藝對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行表面熱控處理,控制材料吸收率αs和輻射率ε。

2)與衛(wèi)星的熱交換

為避免熱交換對(duì)衛(wèi)星本體設(shè)備造成影響,對(duì)激光反射器的熱交換做出限制(小于±5W),采取下述結(jié)構(gòu)熱控措施:

a)添加合適的低導(dǎo)熱率的隔熱墊片,以隔絕激光后向反射器和衛(wèi)星之間的熱傳導(dǎo)；

b)添加當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)極低的多層隔熱材料(MLI)以隔絕固定基板底面和衛(wèi)星安裝面之間的熱輻射。

通過(guò)I-DEAS/TMG軟件仿真分析,采用本熱控設(shè)計(jì)技術(shù)方案的角反射器理論計(jì)算工作溫度為-87.7～+25.7 ℃(圖3),增加計(jì)算裕度后激光后向反射器理論計(jì)算工作溫度為-146～+85.4 ℃(實(shí)際產(chǎn)品鑒定溫度為-146～+115 ℃)；與衛(wèi)星的熱交換量4.89 W,符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 角反射器瞬態(tài)溫度變化圖

4 載荷結(jié)構(gòu)分析和仿真

反射器所受的環(huán)境載荷分為靜載荷和動(dòng)載荷兩類,主要包括三軸慣性加速度、正弦掃頻、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊(機(jī)械和溫度)等。

Galileo設(shè)計(jì)通過(guò)三維CAD軟件建立激光反射器結(jié)構(gòu)模型,利用工程CAE軟件對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算和處理(圖4),以驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖4 激光反射器有限元模型

1)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力

最大結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力發(fā)生在高溫工況(+140 ℃),最大應(yīng)力及MS值見表1。

表1 最大結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力及MS值

注:①σallowed值為屈服強(qiáng)度；②σallowed值為極限強(qiáng)度。

2) 結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力

最大結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在Z向隨機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中,最大應(yīng)力及MS值見表2和圖5。

表2 最大結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力及MS值

注:①σ-1值為疲勞循環(huán)應(yīng)力(MPa)。

圖5 零件應(yīng)力、位移云圖(Z向)

3)結(jié)構(gòu)模態(tài)

全約束條件下,一階Z向固有頻率為231 Hz,滿足設(shè)計(jì)要求(>140 Hz)；任一螺釘失效的情況下,最小一階固有頻率為186.14 Hz,依舊滿足>140 Hz ；實(shí)際實(shí)驗(yàn)所測(cè)全約束條件下一階最小固有頻率(豎直Z向)約為223 Hz。結(jié)構(gòu)模態(tài)云圖如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)模態(tài)云圖

4)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)光學(xué)的影響

a)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力對(duì)光學(xué)的影響

機(jī)械和熱應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)變形會(huì)直接引起內(nèi)部CCR光程的變化,從而影響光學(xué)性能,特別是剛裝配完畢的角反射器由于內(nèi)部瞬間產(chǎn)生應(yīng)力梯度,改變?cè)衅胶鉅顟B(tài),光學(xué)FFDP發(fā)生明顯變化,因此進(jìn)行應(yīng)力釋放,促使角反射器內(nèi)部晶粒排布趨于穩(wěn)定[5]。如圖7所示。

圖7 機(jī)械裝配應(yīng)力對(duì)光學(xué)性能(FFDP)的影響

由表面變形δ引起的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射歸一化能量FFDP分布可表示為[8]:

(1)

裝配以及熱變形引起的CCR有效入(出)射面面形變化PV值如表3所示,可以看出對(duì)光學(xué)性能ΔE影響較小。

表3 最大結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力變形及PV值

注:①λ為綠光波長(zhǎng)532 nm；②ΔE為能量變化。

b)結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力對(duì)光學(xué)的影響

機(jī)械和熱動(dòng)態(tài)環(huán)境試驗(yàn)前后光學(xué)FFDP的變化如表4所示,可以看出試驗(yàn)前后光學(xué)性能變化微小。

表4 動(dòng)態(tài)環(huán)境試驗(yàn)前后FFDP對(duì)比

5 結(jié) 論

本文闡述了Galileo衛(wèi)星激光反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路、主要問(wèn)題和解決措施,同時(shí)針對(duì)星載機(jī)械和熱環(huán)境載荷進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算,并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論分析,分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)合理可行。

作為中歐伽利略合作專項(xiàng)唯一上星產(chǎn)品,四顆Galileo激光角反射器(Galileo-101、102、103、104)已分別于2011年10月和2012年10月隨星成功發(fā)射。進(jìn)入國(guó)際測(cè)距網(wǎng)聯(lián)測(cè)后,數(shù)十個(gè)站點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了追蹤觀測(cè),截止2017年9月6日,共獲得標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)121080個(gè),有效觀測(cè)圈數(shù)已達(dá)32688圈,觀測(cè)效果明顯優(yōu)于同類國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品,測(cè)距范圍、測(cè)距精度均滿足設(shè)計(jì)要求,在實(shí)際工程應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證了Galileo結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理。