多节点激光通信天线紧凑型摆镜组件设计 
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1 引言
近年来,通信系统对数据传输速率的要求不断提高。经过近30年的探索与研究,空间激光通信的速率由初期演示验证的1.024 Mbit/s跃变到目前的Gbit/s量级[1],相比传统的射频通信,空间激光通信逐渐显露其技术优势。
激光通信具有发散角窄、光学接收视场小的特性,因此无法进行多个目标的同时收发,这给多点通信带来很大难度。为解决这一问题,研究人员在激光通信光学系统研究的基础上提出了空间多节点同步的激光通信系统[2],通过设计多节点激光通信光学天线,将多路光束进行中继,使系统能够在方位角为360°、俯仰角在±20°以内与多个从属光端机同时进行通信。为了保证激光能量的接收效率,多节点激光通信光学天线设计为以旋转抛物面为基底的多反射镜拼接结构,且每片反射镜均可以实现二维的摆扫运动。
为了提高二维摆镜的运动控制精度、降低工作包络尺寸并保证多反射镜动态拼接过程中摆镜运动范围不大于主光端机有效通光口径(274 mm),摆镜镜面到回转中心的距离(简称面心距)要求较为苛刻。为此,提出了一种紧凑型摆镜组件,通过对材料的优化配置提高了摆镜面形的热稳定性,采用背部三点薄圆环的黏接方案有效缩短了面心距,显著提高了摆镜组件的动态刚度,降低了黏接剂对摆镜面形的影响,实现了面心距仅为20 mm且摆镜面形的均方根(RMS)值优于
2 支撑方案选取
反射镜一般采用背部支撑和侧面支撑两种形式,支撑点的具体数目需依据反射镜的口径大小确定,口径越大需要的支撑点数越多。这种传统的支撑方式虽然能够使反射镜的面形具有较好的力、热稳定性,但是其结构较为复杂,一般由镶嵌件、柔性连接件以及支撑背板三部分组成[3-9]。因此,镜面到支撑背板的距离一般较远,无法满足激光通信天线的要求。
为了缩短二维摆镜的面心距,这里简化摆镜组件的结构,将反射镜直接通过支撑板连接到俯仰电机的转子上。支撑板设计为L型结构,将向外的两个相互垂直的面作为工作面,工作面a通过螺钉与摆镜俯仰电机转子相连,工作面b通过黏接剂与平面反射镜背面黏接,二维摆镜系统结构示意图如
考虑到工作环境的温度变化以及电机自身的散热情况,摆镜需能够在(20±5) ℃温度范围内工作,并保证面形RMS值为
表 1. 常用光学材料与机械材料的属性
Table 1. Properties of universal optical materials and mechanical materials
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3 黏接面结构设计
为了保证摆镜组件的结构刚度以及面形精度,将支撑板工作面b设计为三点薄圆环结构,摆镜组件结构示意图如
图 2. (a)摆镜组件结构示意图;(b)摆镜支撑板结构示意图
Fig. 2. (a) Structural diagram of tip-tilt mirror assembly; (b) structural diagram of tip-tilt mirror supporting plate
在黏接剂固化或环境温度变化期间,黏接剂的尺寸变化与黏接面积成正比,即黏接面积越大,黏接剂的形变就越大[10-11]。为了减小面心距,将支撑板直接粘到反射镜背面,从而使黏接剂的形变与反射镜的面形产生直接联系,因此在保证黏接强度的同时需尽量减小黏接面积。黏接面如
当激光通信天线在工作状态时,摆镜镜面与水平方向成45°,摆镜设计为长轴为100 mm、短轴为80 mm、厚度为10 mm的椭圆形反射镜。通过三维设计软件SolidWorks计算得到反射镜重量约为158 g。为了减小黏接剂对反射镜面形的影响,采用单组份室温硫化硅橡胶对反射镜进行黏接,其抗剪切强度
式中
经过计算,摆镜的黏接总面积应不小于48.4 mm2,为了有效提高摆镜组件的动态刚度并减小单个黏接点对摆镜面形的影响,综合考虑二维摆镜系统整体布局,确定总黏接圆半径
4 仿真分析
建立摆镜组件的有限元模型,对其进行模态分析,结果如
图 4. (a)摆镜组件有限元模型;(b)模态分析结果
Fig. 4. (a) Finite element model of tip-tilt mirror assembly; (b) result of modal analysis
对摆镜组件的力学分析结果如
在上述工作状态的基础上,进一步仿真分析15 ℃和25 ℃工作温度下摆镜面形的变化情况。不同温度下的力热耦合分析结果如
图 6. 不同温度下力热耦合分析结果。 (a) 15 ℃;(b) 25 ℃
Fig. 6. Results of force-heat coupling analysis at different temperatures. (a) 15 ℃; (b) 25 ℃
5 实验验证
通过仿真分析可知,摆镜面形对温度变化较敏感,因此使用ZYGO激光干涉仪分别在15,20,25 ℃环境温度下对摆镜组件面形进行检测,检测系统如
图 7. 摆镜组件面形检测系统。(a)(b)摆镜组件;(c)(d)面形检测实验装置
Fig. 7. System for tip-tilt mirror assembly surface shape testing. (a)(b) Tip-tilt mirror assembly;(c)(d) experimental setup of surface shape testing
图 8. 不同温度下摆镜面形的检测结果。(a) 15 ℃;(b) 20 ℃;(c) 25 ℃
Fig. 8. Results of tip-tilt mirror surface shape testing at different temperatures. (a) 15 ℃; (b) 20 ℃; (c) 25 ℃
6 结论
为了减小激光通信光学天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。使用高体分SiC/Al材料的L型支撑板与H-K9L玻璃材料的反射镜有效提高了摆镜面形的热稳定性,黏接面采用三点薄圆环的设计,显著减小了黏接应力对摆镜面形的影响,提高了摆镜组件的动态刚度,并且面心距仅为20 mm。经过仿真分析,摆镜组件的基频为1319.96 Hz,在(20±5) ℃的温度范围内,镜面与重力方向成45°,以10 (°)/s-2的角加速度进行摆扫时,摆镜面形RMS值优于
使用ZYGO激光干涉仪对不同温度下摆镜的面形进行了检测。实验结果表明摆镜面形优于
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