Влияние температурного градиента на работу информационно-пеленгационного блока модуля межспутниковой линии связи

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются проблемы влияния изменения температуры внешней среды на физические, геометрические и оптические характеристики и параметры системы. В них входит изменение размеров исследуемых деталей всего информационно-пеленгационного блока (ИПБ) межспутниковой линии связи(МЛС) и их взаимосвязь с оптическими параметрами системы, такими как пятно рассеяния на краю и в центре. Так же рассматривается разъюстировка всего блока из-за деформации опорных буртиков корпуса, смещение посадочных мест под светоделитель, а также результаты исследования о пережатии главного зеркала в корпусе ИПБ. Приведены результаты исследования нескольких ключевых компонентов системы: корпуса ИПБ, оправы для светоделительных элементов, а также сборка корпус-главное зеркало. Также объяснен ввод такого компонента, как термокомпенсатор и его влияние на характеристики главного зеркала системы. В связи с этим, предложены результаты проведенного исследования по обеспечению термокомпенсации. Также произведено сравнение результатов исследований влияния температуры на ИПБ с допусками на изготовление и сборку компонентов МЛС. В статье также представлен термоаберрационный расчет оптической системы. Все расчеты велись в программах SolidWorks и COMSOL Multyphisics.

ABSTRACT

The article deals with the problem of influence of ambient temperature changes on physical, geometrical and optical characteristics and parameters of the system. They include changes in the size of test pieces of all information and boresight unit (IBU) of the inter-satellite link (ISL) and their relations with the optical system parameters such as the scattering spot on the edge and in the center. Also, misalignment of the block is considered due to deformation of the body support ribs, offset seats under a beam splitter, and research results on cross-clamping of the primary mirror in the IBU package. Research results of several key system components are presented: IBU unit, frames for beam-splitting elements, as well as body-assembly of the primary mirror. Input of such a component is also explained such as a temperature compensator and its effect on the characteristics of the primary mirror system. In this regard, results of the carried out study are offered to provide temperature compensation. Comparison of research results of temperature influence is also made on IBU with production tolerance and assembly of ISL components. The article also presents thermoaberrational calculation of the optical system. All calculations are made in SolidWorks and COMSOL Multyphisics.

Введение

В реальных условиях эксплуатации ИПБ в составе МЛС эти устройства доставляется спутниками на высоту до 400 км. Очевидно, что в процессе набора высоты изделие будет испытывать значительные перегрузки и, в том числе, связанные с существенными температурными изменениями окружающей среды. Указанные обстоятельства могут явиться причиной возможной разъюстировки системы и, следовательно, нарушения эксплуатационных характеристик прибора. Для получения объективной информации о степени влиянии температурных воздействий на деформацию механических и оптических блоков и деталей ИПБ, нами, посредством модельных расчетов, выполнена количественная оценка изменения геометрических параметров компонентов блока при изменении температуры в пределах значений, отвечающих реальным условиям эксплуатации. Расчеты осуществлялись на основе программ SolidWorks Simulation и FEMlab COMSOL Multyphysics.

Рисунок 1. Схема устройства ИПБ

Влияние изменения температуры на деформацию корпуса ИПБ

Вероятный диапазон варьирования рабочей температуры, которой может быть подвергнут приемный блок, может находиться в пределах от -50 +40 °С. Это определяет граничные значения температур, при которых должны проводиться исследования. Первоначально примем условие в соответствии с которым корпус ИПБ подвергся охлаждению до -50°С. Следовательно, полное изменение температуры от значения комнатной +21°С до -50°С составляет 71°С. Эти значения мы зададим в качестве исходных и посредством расчетов в программе SolidWorks проведем испытания изделия на соответствующие нагрузки.

На рис. 2 представлен корпус ИПБ не подвергнутый охлаждению.

Рисунок 2 Корпус ИПБ до охлаждения

Далее моделировалось охлаждение корпуса на 71°С. На рис. 3 представлен охлажденный корпус ИПБ. Нас интересуют острые кромки и базовые поверхности оправ, т.к. на острые кромки опираются рабочие поверхности зеркал, а базовые поверхности оправ при деформации могут подвергнуть стекла слишком большому давлению.

Рисунок 3. Деталь подвергнутая охлаждению до -50°С

На Рис. 3 слева представлена цветовая диаграмма, цвет на ней соответствует величине смещения от начального положения частей детали, красный цвет – наибольшее смещение, синий – наименьшее. Острые кромки оправы выделены голубым цветом. Изменение размера кромки оправы Δ_l отображается соответствующим изменением цветовой гаммы. Как видно, из цветовой диаграммы, указанные изменения лежат в пределах 1.8 мкм и 2.7 мкм. Принимаем усредненное значение Δ₁ ≈ 2.4 мкм. Смещения для опорной кромки главного зеркала, Δ₂ ≈ 3.7 мкм. Таким образом, суммарная величина смещения зеркал относительно друг друга составила:

Такое смещение не выходит за пределы допусков (50 мкм, см. табл. 1) и, соответственно, не изменят размер пятна рассеяния на величину, превышающую допустимое значение.

Аналогичные исследования для температуры +40°С показали, что изменение размеров лежит в поле допусков.

Таблица 1.

Рекомендуемые допуски на изменение конструктивных параметров

Влияние изменения температуры на изменение размеров оправы светоделительного блока

В данном случае исследованию подвергалась оправа, предназначенная для поджатия главного зеркала и закрепления в нем светоделительных пластин.

Рисунок 4. Оправа до охлаждения

Рисунок 5 Оправа, охлажденная до -50°С

На рис. 5 отображены деформации детали в масштабе 50:1, при этом наблюдается уменьшение внутреннего диаметра опорного буртика, которое составляет 19 мкм. Такие деформации не критичны для зеркал.

Следующим важным аспектом исследований является определение нарушения положения крепежных отверстий оправы Смещение, превышающее допустимые значения, может повлиять на наклон светоделительного блока, а соответственно, приведет к смещению изображения относительно центра матрицы пеленгатора.

Как видно из Рис. 6, при наложении схематичного изображения оправы в исходном состоянии и после ее деформации, наблюдается смещение положения отверстий, которое влечет за собой разворот светоделительного блока. Результирующие смещения составили 24 мкм. от начального положения. В пересчете в угловую меру, поворот светоделителя составил на 4.4¢. Такой поворот не является критичным поскольку максимально допустимое смещение составляет 40 мкм. (Табл. 1).

Рисунок 6. Смещения положения отверстий

Влияние изменения температуры на изменение формы зеркал

На следующем этапе исследований нами был выполнен термоаберрационный расчет с использованием программы САРО [4]. Результаты расчетов сведены в Табл. 2.

Таблица 2.

Термоаберрационный расчет
(с учетом смещения пл. Гаусса на -0.25 мм)

В таблице приводятся параметры радиусов кривизны поверхности зеркал – R1 и R2, их толщин d1 и d2, а также диаметр пятна рассеяния. Рассчитанные значения изменения радиусов кривизны и толщины деталей не выходят за пределы допусков (Табл. 1) и не являются критичными.

Результаты исследований показали, что аберрации, возрастающие с изменением температуры являются незначительными и, при этом, изменение размера пятна в среднем составило – 0.56%, что является приемлемым.

Влияние изменения температуры на изменение размеровосевых расстояний и пережатий элементов в оправах

 Исследования проводились с использованием программы COMSOL. В процессе расчетов нами была получена количественная информация о возможных напряжениях в зеркале при изменении окружающей температуры до – 50°С и отсутствии термокомпенсатора. На рисунке ниже представлена деформация зеркала, происходящая с ним непосредственно во время охлаждения до -50°С. Оправа прижимает стекло по цилиндрической образующей.

Рисунок 7 Давление оправы на зеркало
при изменении температуры до -50°С

Далее в систему был введен термокомпенсатор, предназначенный для компенсации изменений межосевых расстояний и пережатий элементов в оправах и были выполнены соответствующие расчеты, которые отображены на Рис. 8. Без термокомпенсатора давление, оказываемое на цилиндрическую поверхность детали составляет 173 МПа. Такое давление приводит к разрушению стеклянного изделия (для сравнения – давление на дне Марианской впадины составляет 110 МПа), и стекло не выдержало бы такого давления.

Рисунок 8. Давление на зеркало с термокомпенсатором
при изменение температуры до -50°С

На Рис. 8 показано давление оправы с использованием термокомпенсатора. Как видно в данной ситуации деформации зеркала менее выражены. На цветовой диаграмме показано максимальное значение давления. При сопряжении цилиндрической поверхности с термокомпенсатором и таком же понижении температуры, давление будет составлять 3.78 Мпа (это давление соответствует давлению воды на глубине 380 м). При таком давлении, смещение зеркала составляет всего 384 нм и никак не скажется на качестве его работы. Компенсатор, при этом, позволяет уменьшить давление на деталь примерно в 45 раз.

Заключение

В результате выполненных исследований установлено, что изменения температур в пределах значений отражающих реальные условия эксплуатации информационно-пеленгационного блока модуля межспутниковой линии связи не являются критичными и не отразятся на качестве работы корпуса ИПБ, оправы, светоделительного блока и зеркал оптической системы. Однако изменение температуры, в обозначенных пределах, приводит к изменению размеров межосевых расстояний и пережатий элементов в оправах, что может привести к разрушению элементов оптики. Показано, что введение в конструкцию ИПБ термокомпенсатора позволяет нивелировать эффекты деформаций, и обеспечит надежную эксплуатацию изделия.