干涉式大气垂直探测仪光学基板的轻量化设计

　　1　引言

　　干涉式大气垂直探测仪是一种高光谱分辨率的探测仪器,它可以测量来自大气和地表的红外辐射光谱,从获得的红外辐射光谱而得到大气温度和湿度等的垂直分布情况,从而实现了大范围、快速、连续和长期的气象测量。

　　对干涉式大气垂直探测仪在高光谱分辨率、高空间分辨率和高灵敏度等方面应用都有较高的要求,并有着十分明确的应用前景,将被应用于我国新一代地球静止气象卫星上。

　　干涉式大气垂直探测仪机械结构设计的正确化和合理化是其光学系统按照设计要求正常工作的重要保障,所以对干涉式大气垂直探测仪机械结构设计的系统研究是至关重要的。

　　干涉式大气垂直探测仪机械结构按照功能可分为如下几部分:二维扫描系统、望远镜系统、干涉分光系统、中/后继光路、探测器组件、制冷系统和仪器主壳体等。仪器主壳体又包括光学基板、安装板、侧挂板、顶板和围板,仪器的结构外形如图1所示。仪器通过安装板上的安装脚与卫星主体联接。

　　光学基板上安装有干涉分光系统、望远镜系统、中/后继光路和探测器组件等关键子系统。这些子系统自身的重力就作为一种载荷作用在光学基板上,导致光学基板发生变形,各子系统的位置也会随之发生不同程度的变化。为了确保各光学子系统位置的相对变化量在光学允许的范围内,就要限制光学基板受载荷作用后自身的变形量,即保证光学基板有足够的抗变形刚度。

　　由于光学基板在仪器中是块悬空板,可以等效为一个很宽的悬臂梁,如图2所示。悬臂梁最大挠度的计算公式为

　　由式(1)可以看出,要想降低光学基板的最大挠度就要减小基板的长度或者增加光学基板的厚度和宽度。然而,基板的长度和宽度已经被卫星总体限制了,只有增加厚度。但厚度增加势必会带来基板质量的增大,整个仪器总质量也随之增加,卫星也要相应地增加燃料、配重块等来平衡增加了的重量,这样卫星和仪器的动力学稳定性就会相应的降低。

　　综上所述,我们最终确定光学基板结构的设计目标:保证其具有足够刚度的前提下,对其进行轻量化设计。

　　参照国外探测仪光学基板的设计资料,确定光学基板基本尺寸:长度1 650 mm,宽度640 mm,厚度80 mm。假定光学基板的材料为LY12硬铝,其质量为228 kg。

　　2　光学基板轻量化设计

　　2.1　光学基板最大变形量的确定

　　首先利用有限元分析软件计算仪器在重力作用下,光学基板的最大变形量和出现最大变形量的位置,仪器经简化后的有限元分析模型如图3所示。模型中各子系统均采用体单元,通过布尔操作中的粘接命令联接在一起,通过划分网格,可得到节点数80 103,单元数306 976。并对安装脚上18个安装面的六个自由度全部约束。