[发明专利]一种卡塞格林光学天线次镜支撑的硬涂层阻尼减振方法

说明书

一种卡塞格林光学天线次镜支撑的硬涂层阻尼减振方法，涉及光学天线减振领域。解决现有次镜支撑的减振方法对光学系统遮拦比产生影响并增加结构质量，同时存在采用的粘弹性材料通常不耐高温等问题，该方法首先建立次镜支撑动力学模型，推导出在给定主次镜间距变化最大允许值下对次镜支撑梁的阻尼参数要求，然后基于复合材料相关理论对硬涂层厚度进行计算，最后采用等离子喷涂法将硬涂层涂覆在次镜支撑梁上，分别通过仿真和实验的方式检测了涂覆涂层后的减振效果，并与无涂层时进行对比。本发明通过采用硬涂层复合结构对次镜支撑结构进行减振设计，提高了光学系统的成像质量。

技术领域

本发明涉及光学天线减振领域，具体涉及一种卡塞格林光学天线次镜支撑的硬涂层阻尼减振方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展和科研任务的需求，人们对空间望远镜的成像质量提出了更高的要求，这就使空间望远镜向着大口径、长焦距的方向发展。对于大口径空间望远镜这种精密光学仪器来说，需要有较高的刚度和稳定性，但其主次镜间的距离相对较远(通常大于700mm)，同时又需要考虑尽可能的减小遮拦比来提高光学系统成像质量，因此通常采用薄壁梁结构连接次镜和主体结构，这种薄壁梁结构刚性较差，次镜又是非常敏感的光学元件，在空间微振动载荷的作用下，次镜和主镜的相对位置很容易发生改变导致成像质量下降，严重时甚至无法达到其性能指标。因此在设计大口径空间望远镜中的卡式天线时，如何提高次镜支撑结构的动力学性能显得愈发重要。

目前应用在卡式天线次镜支撑结构上的减振方式主要有三种：隔振器和吸振器减振、结构设计减振和粘弹性阻尼减振。

现有的次镜支撑的减振方法主要存在以下不足：(1)隔振器和吸振器会明显增加结构的附加质量和体积，与大口径空间望远镜轻量化设计理念不符；(2)结构设计减振需要成熟的案例作为参考，而且由于空间和性能限制，更改结构进行减振的机理较为复杂。(3)黏弹性阻尼贴片的厚度和质量较大，会对光学系统遮拦比产生影响并增加结构质量，而且粘弹性材料通常不耐高温。

硬涂层是由金属基或陶瓷基做成的涂层材料，主要应用于结构件的热障、抗摩擦、抗腐蚀等。近些年的研究发现，硬涂层还具有阻尼减振效果，且特别适用于对一些薄壁结构进行减振。用作减振的硬涂层种类主要有NiCrAlY涂层、镁合金涂层、ZrO₂涂层、Gd₂Zr₂O₇涂层、YSZ涂层、FeCrMo涂层、AlCuFeCr等多种涂层。虽然它们的阻尼性能不如粘弹性材料，但也远大于常用的Fe、Pb等常用的金属结构材料，而且具有足够的强度、抗磨损、耐腐蚀。最重要的是硬涂层可以承受较高的工作温度，受温度影响不大，而且其厚度小，附加质量轻，对大口径空间望远镜整体质量和光学系统遮拦比影响非常小，因此将硬涂层应用在大口径空间望远镜上具有广阔的前景。

发明内容

本发明为解决现有次镜支撑的减振方法对光学系统遮拦比产生影响并增加结构质量，同时存在采用的粘弹性材料通常不耐高温等问题，提供一种卡塞格林光学天线次镜支撑的硬涂层阻尼减振方法。

一种卡塞格林光学天线次镜支撑的硬涂层阻尼减振方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、对次镜支撑结构进行动力学建模，并根据获得的动力学模型推导出主次镜相对距离变化最大值M与次镜支撑梁阻尼比ξ之间的数学关系；用下式表示为：

式中，ξ为次镜支撑梁的阻尼比，为主镜和次镜振动的相位差角，H为主镜振幅，z为主镜组件振动频率与次镜支撑固有频率的比值；

步骤二、根据主次镜相对距离变化最大值M计算出对应次镜支撑梁所需阻尼比的大小，然后将计算出的阻尼比的二倍(即损耗因子)代入硬涂层厚度与结构损耗因子的关系式中对硬涂层厚度进行设计；用下式表示为：