薛闯

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学研究一部, 吉林 长春 130033

1 概述

某星载温室气体探测仪的主要任务目标是采用光学遥感技术手段，利用大气气体分子吸收池原理，精确测量CO2等温室气体的吸收光谱来精确反演大气CO2含量。其中大平面反射式闪耀光栅是该设备的核心部件，是实现0.04nm超高光谱分辨率光谱测量的关键。

本文针对大平面反射式闪耀光栅的光学设计参数及探测仪总体技术指标要求，进行了光栅支撑结构的设计。工程分析结果表明：光栅支撑结构设计是合理的，能够满足工程研制任务要求。

2 光栅设计及其技术指标要求

2.1 光栅外形尺寸

该平面反射式闪耀光栅形状类似于跑道，其长边、短边尺寸分别为175mm、142mm，如图1所示。

图1 光栅外形尺寸

2.2 光栅技术指标要求

a) 面形精度

光栅由于装调、空间1g重力释放、5℃环境温度变化等外界耦合作用引起的刻划表面波前变化（PV值）不大于λ/4，λ为632.8nm；

b) 刚度

光栅组件一阶基频不小于300Hz；

c) 重量

光栅组件重量不大于2.1Kg。

此外，由于探测仪的杂散光技术指标要求很高，这就严格禁止光栅刻划表面遭受划伤、腐蚀以及尘埃污染等，要求光栅在组件级装调、测试过程中必须具有防护措施。

3 光栅结构及其支撑结构设计

3.1 光栅材料选择

平面反射式光栅常用的基体材料有石英玻璃、铝合金、碳化硅（SiC）等。由于光栅采用离子束刻蚀工艺制作，该种工艺对光栅基体材料的导电性及基体外形、厚度等有要求，因此综合考虑之后，光栅基体材料选用碳化硅，主要原因是碳化硅属于半导体材料，通电之后，在光栅基体表面易形成等电势，能够保证光栅刻划的均匀性，另外碳化硅材料还有热膨胀系数小、比刚度高等优良特性。

3.2 光栅结构及其支撑结构设计

对于平面反射式闪耀光栅，常用的结构支撑方式有背部中心支撑[1]以及周边支撑[2]两种形式，光栅的外形尺寸为175mm×142mm，两种支撑方式都能满足光栅刻划表面面形精度、光栅组件重量、光栅组件基频等指标要求，但考虑到大平面闪耀光栅的刻划工艺以及严格的防护需求，最终决定采用周边三点固定方式支撑[3]，光栅卧在安装座中，这样可以通过设计一块防护板，保证光栅在组件级装调、测试过程中随时能够处于密闭、受保护的环境中，避免了尘埃污染，光栅详细支撑结构设计、光栅基体结构设计以及光栅安装座结构设计分别如图2、图3、图4、图5所示。

图2 光栅组件等轴测背部视图

图3 光栅组件等轴测正视图

图4 光栅基体结构设计

图5 光栅安装座结构设计

光栅基体的三个共面凹台A、B、C分别和光栅安装座的三个共面凸台A、B、C配合接触，再通过光栅压板靠紧光栅背部限制光栅沿X轴平移以及绕Y轴、绕Z轴旋转；光栅基体的两个侧壁I、II分别和光栅安装座的两个凸台I、II配合接触，再通过光栅顶板靠紧光栅侧壁III限制光栅沿Y轴、Z轴平移以及绕X轴旋转。光栅安装座侧壁设计有注胶孔，通过注胶孔注入硅橡胶对光栅进行辅助支撑，在振动环境中，胶层起到缓冲、吸振作用。

为了节省重量、提高组件刚度，光栅背部、光栅安装座设计了矩形轻量化孔。

3.3 消热设计

消热设计的目的是为了抑制由于温度变化导致的光栅支撑结构的变形对光栅结构的扭曲作用。光栅基体材料为碳化硅（SiC），光栅安装座材料选择了殷钢（4J32），原因是殷钢的热膨胀系数可调，能够与碳化硅材料的热膨胀系数基本匹配。但由于两种材料的热膨胀系数不一定能做到完全匹配，因此需要通过合理设计零件间的配合尺寸来弥补两种材料的热膨胀系数匹配残差，沿光栅刻划表面法线方向（X向）的消热设计原理如图6所示。

图6 光栅X向消热设计

碳化硅、钛合金材料的热膨胀系数分别为2.39E-6/℃、8.9E-6/℃，订制的殷钢材料热膨胀系数为2.61E-6/℃，假设温度变化Δt℃，则按照图6所示的零件布局及相关尺寸，只要h能满足等式（1），则既能保证光栅压板和光栅之间保持接触状态，却又无接触应力，即实现了消热设计。

经过计算，满足等式（1）的h值为0.525mm，沿光栅刻划表面面内（Y向和Z向）的消热设计采用同样原理。

4 工程分析

分析了光栅组件的固有模态以及空间1g重力释放与5℃环境温度变化耦合作用下光栅刻划表面的面形变化情况，并根据分析结果对光栅本体结构及其支撑机构进行了优化设计。

4.1 有限元模型

采用Patran软件建立了光栅组件的有限元分析模型，绝大部分网格单元采用六面体单元，光栅组件的有限元模型如图7所示。

图7 光栅组件有限元模型

4.2 热、力耦合分析

分别分析计算了光栅组件在X、Y、Z三个方向1g重力释放与±5℃环境温度变化耦合作用下光栅刻划表面面形精度变化情况，并根据计算结果进行了迭代优化设计，最终分析计算结果如表1所示。

表1 热、力耦合作用下光栅面形精度变化统计

从表1可以看出，在Y向1g重力与+5℃温升耦合作用下光栅面形变化相对较大，但仍满足指标要求，该工况光栅刻划表面的变形云图如图8所示。

图8 Y向1g重力与+5℃温升工况下光栅刻划表面变形云图

4.3 模态分析

采用Nastran软件分析了光栅组件的固有模态[4]，光栅组件首阶固有模态频率为1223Hz，首阶模态振形如图9所示。

图9 光栅组件首阶模态振形图

4.4 工程分析结论

从有限元分析结果可以看出，光栅组件的模态频率足够高，不会与探测仪主体结构发生振动耦合；消热设计能够消除光栅支撑结构的变形对光栅结构的扭曲作用。

5 结束语

本文针对某星载温室气体探测仪光栅元件的光学设计及其技术指标要求，进行了光栅支撑结构的设计。工程分析结果表明：光栅的支撑结构设计是合理的，能够满足仪器对光栅及其支撑结构的静态刚度、动态刚度、热稳定性、重量等要求，消热设计能够有效抑制光栅支撑结构的变形对光栅结构的扭曲作用，目前该种光栅支撑技术已经在航天工程项目中得到实际应用。

[1]王忠素，翟岩，梅贵等. 空间光学遥感器反射镜柔性支撑的设计[J]. 光学精密工程,2010,36(8):1833-1841.

[2]谭进国. 空间相机小型反射镜周边支撑结构研究[D]. 长春:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2011.

[3]崔永鹏，何欣，张凯. 采用三点定位原理的反射镜支撑结构设计[J]. 光学仪器,2012,34(6):56-61.

[4]胡宗武，吴天行. 工程振动分析基础[M]. 上海:上海交通大学出版社,2011年第3版.