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激光加工技术在遥感器光机结构中的应用

导读: 遥感器光机结构良好的力学特性是遥感器获得良好图像的保证。随着空间科学技术的发展,我国空间遥感器正向着高分辨率、长焦距、大型化的方向发展,遥感器光学系统对光机结构的要求也愈加严格。

  遥感器光机结构良好的力学特性是遥感器获得良好图像的保证。随着空间科学技术的发展,我国空间遥感器正向着高分辨率、长焦距、大型化的方向发展,遥感器光学系统对光机结构的要求也愈加严格。新材料和新的加工技术已越来越多地应用到空间遥感器光机结构的研制过程中。由于光机结构用途的特殊性,所选择的材料和结构形式与常规机械构件往往差别较大,相应的加工方式与普通机械加工也有所不同。目前,光机结构主要通过铸造、切割、铣磨成型,通过精密机械切削、精密磨削、高速加工、超声加工和人工研磨等完成精加工。随着光机结构尺寸增大和精度的提高,其制造难度也越来越大,现有光机结构制造手段已逐渐不能满足遥感器发展的要求。

  激光加工技术是一种将光、机、电技术相结合的先进制造技术,具有与工件之间无接触、热影响小、加工过程易于控制、速度快、生产效率高等特点。目前,激光加工已广泛应用于航空、航天、造船、汽车制造、电子、医疗等领域。在发达国家,50%~70%的汽车零件采用激光加工。在我国,华中科技大学激光技术国家重点实验室的江超等人探讨了激光微加工应用于光学材料的可能性,哈尔滨工业大学精密工程研究所的赵清亮等人研究了飞秒激光加工SiC的相关课题,清华大学的杨金龙教授组织开展了激光加工陶瓷坯体工艺方面的研究。但是,我国还没有将该技术应用到空间遥感器精密光机结构加工中的先例。本文从光学系统对光机的要求和现有加工手段出发,分析了现有制造技术存在的一些缺点,探讨了利用激光加工空间光机结构的可行性。

  1、遥感器对光机结构的要求及传统加工技术

  遥感器对光机结构的主要要求体现在以下几个方面:质量、接口的安装精度、刚度、强度、动态特性(如基频等)、长期稳定性等。本文以某遥感器支撑结构件为例进行说明,如图1所示。具体设计基本要求包括以下6个方面。

  (1)采用轻质的、刚度高、稳定性好的材料。遥感器常用光学元件材料包括SiC、微晶玻璃、熔石英和铍等,主要机械结构材料包括钛合金、碳纤维、铝基复合材料和铝等。钛合金和铝基复合材料的比刚度均较高、工艺稳定,在遥感器结构中应用较为成熟,图1中构件采用钛合金材料。

  (2)质量要轻,满足减少发射成本、降低飞行器平台负载的要求。图1的埋块尺寸为280mm×130mm×120mm,最薄壁厚仅为2mm,质量仅1.2kg。遥感器的反射镜外径达φ650mm,最薄壁厚仅4mm,质量仅19kg。

  图1 某遥感器钛合金支撑结构件

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