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摆镜面形在温度梯度场中的动态响应特性

张家齐 夏茂斌 郭艺博 郭旭

张家齐, 夏茂斌, 郭艺博, 郭旭. 摆镜面形在温度梯度场中的动态响应特性[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0111
引用本文: 张家齐, 夏茂斌, 郭艺博, 郭旭. 摆镜面形在温度梯度场中的动态响应特性[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0111
ZHANG Jia-qi, XIA Mao-bin, GUO Yi-bo, GUO Xu. Dynamic response characteristics of mirror-shaped structures in temperature gradient fields[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0111
Citation: ZHANG Jia-qi, XIA Mao-bin, GUO Yi-bo, GUO Xu. Dynamic response characteristics of mirror-shaped structures in temperature gradient fields[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0111

摆镜面形在温度梯度场中的动态响应特性

cstr: 32171.14.CO.2025-0111
基金项目: 移动信息网络国家科技重大专项项目(No. 2025ZD1302900)
详细信息
    作者简介:

    张家齐(1985—),男,吉林白山人,博士,副高级实验师,硕士生导师,2019年于长春理工大学获得博士学位,主要从事伺服跟踪结构、光机系统集成方面的研究。E-mail:zjq_cust@foxmail.com

  • 中图分类号: V248.1;TH703

Dynamic response characteristics of mirror-shaped structures in temperature gradient fields

Funds: Supported by The Mobile Information Networks-national Science and Technology Major Project (No. 2025ZD1302900)
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  • 摘要:

    飞机起飞到抵达巡航高度的过程中,外界环境温度会发生剧烈变化,由于内部摆镜转台在步进扫描工作模式下周期性快速启停,驱动电机和轴承会持续产生热量,导致转台整体形成温度梯度,进而对摆镜面形产生影响,最终影响整个光学系统的成像质量。针对这一问题,本文提出了相应分析方法。建立摆镜转台热平衡方程,并结合实际热边界条件,构建热固耦合有限元分析模型。利用该模型,可以优化摆镜转台和粘接层的设计。本文通过分析摆镜在复杂温度环境变化及步进扫描工况条件下的面形变化规律和胶层参数的关系,得到胶层在1 mm厚度时,摆镜面形最优精度RMS为43.54 nm。在地面温箱中模拟起飞时温度变化和工作状态,检测摆镜面形,检测结果与分析方法所得仿真结果相比,误差小于10%,验证该方法可用于评估摆镜面形在温度梯度场中的动态响应特性,有利于摆镜粘接层和相关部件的设计。

     

  • 图 1  摆镜粘接层结构示意图

    Figure 1.  Structural diagram of the scanning mirror bonding assembly

    图 2  摆镜转台结构组成

    Figure 2.  Components of the scanning mirror turntable

    图 3  舱内及环境温度随时间的变化曲线

    Figure 3.  Variations of cabin and ambient temperatures with time

    图 4  结构在1 h内的温度变化曲线

    Figure 4.  Temperature variations of the structure within 1 h

    图 5  镜面温差最大时刻的结构温度场

    Figure 5.  Temperature field of the structure at the maximum mirror surface temperature difference

    图 6  热固耦合下的结构位移云图

    Figure 6.  Structural displacement contours under thermal-structural coupling

    图 7  1037 s时重力场叠加温度场下的镜面面形图

    Figure 7.  Mirror surface figure at 1037 s under combined gravity and thermal fields

    图 8  摆镜镜面温差随时间的变化曲线

    Figure 8.  Variations of the scanning mirror surface temperature difference with time

    图 9  摆镜镜面温差随胶层厚度的变化曲线

    Figure 9.  Variations of the scanning mirror surface temperature difference with adhesive layer thickness

    图 10  不同工况下的摆镜面形

    Figure 10.  Scanning mirror surface figure under different working conditions

    图 11  实验检测现场

    Figure 11.  Experimental setup

    图 12  干涉仪检测结果

    Figure 12.  Interferometer test results

    表  1  摆镜转台主要材料参数

    Table  1.   Main material parameters of the scanning mirror turntable

    部件 Material Density
    $ \rho {\text{/(g/cm}}^{\text{3}}\text{)} $
    Young's
    modulus
    $ E\text{/(Gpa)} $
    CTE
    $ \alpha {\text{/(10}}^{\text{-6}}\text{/K)} $
    Thermal
    conductivity
    $ \lambda \text{/[W/(m}\cdot \text{K)]} $
    摆镜 SiC 3.2 450 2.3 155
    背板 4J32 8.1 150 2.4 145
    结构件 AlSiC
    (40%)
    2.89 135 11 130
    下载: 导出CSV

    表  2  不同工况下的摆镜面形

    Table  2.   Scanning mirror surface figure under different operating conditions

    时间模拟飞行1037 s模拟飞行3 h常温0 s常温3 h
    RMS/nm43.5439.5920.7733.80
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-08-25
  • 录用日期:  2025-12-10
  • 网络出版日期:  2026-02-09

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