材料光学性能原位测量装置

     0   引言

    光学性能是许多航天器表面材料的主要性能之一。目前，国内通常利用原子氧模拟装置进行原子氧对材料氧化作用的实验〔1，但材料受原子氧氧化作用时光学性能的变化只能在原子氧作用前后进行，而不能在原子氧作用过程中实时进行，因此很难得到材料光学性能在原子氧作用下的真实变化规律。基于上述原因，本文提出采用原位测量技术，即对原子氧模拟装置进行改造，增加材料光学性能原位测量装置(以下简称原位测量装置)。本文结合原位测量装置的研制过程，就其设计方案及技术性能作以介绍。

    1   原位测t装置的基本功能

    原位测量装置的基本功能是在材料试样受原子氧作用的环境(真空室内)中，自动完成对其光学性能的测量，并将测量结果打印成表，即首先将装人试样架的材料试样送人原子氧作用位置，之后，对积分球(材料光学性能的测量仪器)进行校准(即分别将黑体和白板送人积分球的测量口进行校准)。然后，将试样架从原子氧作用位置退回，送入积分球测量口进行光学性能的测量。当测量透过率时，积分球后盖能自动打开，测量反射率时积分球后盖能自动关闭，最后，进行测量结果的打印。

    2   总体方案设计

    原位测量装置是一个机电一体化系统，主要由真空室、机械运动系统、磁力传动器及计算机控制系统组成。

    2.1  真空室设计

    真空室的主要功能有两方面，一是模拟和保持材料试样受原子氧作用的真实环境，二是充当机械运动系统的安装机架。若真空室形状设计为立方体，有利于保证机械运动系统的安装精度和运动精度，便于实现测量过程所需的各种动作;但这种方案不符合真空设备的设计习惯，而且会增大真空室的体积与重量。经对比分析，真空室的形状设计为圆柱体，室内设计有高度可调的安装底板。

    2.2  机械运动系统设计

    机械运动系统的主要作用是，实现测量过程中所需的各种动作形式。虽然不同材料其光学性能的测量过程不完全相同，但对每个完整测量过程而言，都是几种典型动作的组合。经分析归纳，测量过程所需的典型动作形式有以下6种:l)将材料试样送人(退出)原子氧作用位置;2)将黑体送进(退回)积分球;3)将白板送进(退回)积分球;4)将试样送进(退回)积分球;5)打开(关闭)积分球后盖;6)试样架绕水平轴双向旋转。实现上述动作形式的机构运动方案很多，考虑到在整个原位测量装置中，光学系统具有较高灵敏度，应尽量避免积分球在真空室内产生相运动。因此，在机械运动系统设计时，首先确定分球位置固定不动，其他动作形式围绕积分球计布置的原则。经深人分析，上述6种典型动具有相互独立的特点，而且大部分动作具有相同的运动形式，因此有可能将部分动作进行合并，即用一套机构实现两种或两种以上的动作。经过析优化，最终确定用4个直线运动和一个旋转实现6种典型动作形式，5种运动采用5轴立驱动方式。机械运动系统方案设计见图1。