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南京理工大学 硕士学位论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 姓名：厉建峰 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：李东波;吴连大 20070704 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 摘要 大型光电阵望远镜是空间监测系统的重要组成部分，在观测空间卫星飞行器中发 挥了巨大作用。由于光电阵望远镜结构复杂，观测环境恶劣，望远镜在观测一段时间 后，出现了镜片结露的现象，影响了观测任务的顺利进行。而单个望远镜是整体光电 阵观测系统的主要部件之一，所以对望远镜观测时出现的结露现象进行分析研究，具 有一定的现实意义。本论文主要以望远镜的温度场和应力应变场分析为研究内容，基 于三维模型的望远镜有限元热分析和结构分析，计算了望远镜在各种观测环境下的温 度场和应力场分布。 本论文首先采用m s c p a t r a n n a s t r a n 分析平台对望远镜进行有限元计算与分 析，得出了望远镜的温度场和应力应变的分布规律，通过实验室温度测试数据与分析 计算的结果基本吻合，证明了有限元模型的正确性和可靠性。通过实验和有限元分析， 可知望远镜镜片结露的主要原因是外部环境温度影响的，而通过加一层聚乙烯隔热层 起到了防止结露的目的。其次，根据望远镜所安装的高寒环境，对望远镜结构进行应 力应变分析，从而得出影响望远镜应力变形的主要因素，并且对极限环境下望远镜的 设计分析提供依据，为今后的深入研究打下基础。 本文通过实验温度测试的验证和有限元分析方法对望远镜结构温度场、热应力应 变的从分析研究，为殊环境条件下望远镜的分析设计计算问题提供了科学依据，为实 际望远镜阵结构的安装调试成功奠定了基础，同时对我国此类空间观测望远镜的设计 以及安装提供了可靠的参考。 关键字：望远镜，温度场，结露，热应力，有限元分析 第1 页 硬士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 a b s t r a c t l a r g ep h o t o e l e c t r i ct e l e s c o p ei st h ek e ye q u i p m e n ti ns p a c em o n i t o r i n gs y s t e m t p l a y sa nj m p o r t a mp a r ti nt h es p a c es u r v e yo fs p a c es a t e l l i t ea n d a i rv e h i c l e t h et e l e s c o p e s t r u c t u r ei sc o m p l e xa n dt h ec l i m et e m p e r a t u r ei sl o w , o nt h el e n st h e r ei sf o r m a t i o no f d e w , w h i c ha f f e c t st h es u r v e ym i s s i o n t h es i n g l et e l e s c o p ei so i l eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n t si n t h es p a c em o n i t o r i n gs y s t e m , s ot h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h f i l lt h e d e w - f o r m a t i o nh a sl a r g er e a l i s t i cm e a n s i nt h i st h e s i s ，i ta n a l y s e st h et e m p e r a t u r ef i e l da n d t h es t r e s sf i e l do f t h et e l e s c o p e t h ea n a l y s i si sb a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l f i r s to fa l l ，w ei i s ea n a l y s i ss o f t w a r em s c p a t r a n n a s t r a nt oc a l c u l a t ea n d a n a l y z eb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o do i lt h ew h o l et e l e s c o p e t h et e m p e r a t u r ef i e l di s c a l c u l a t e da n dt h er e s u l to fi sa e e o r d a n e ew i t ht h ee x p e r i m e n td a t af r o mt h el a b o r a t o r y , w h i c hp r o v e st h ea c c u r a c ya n dt h er e l i a b i l i t yo f t h ec a l c u l a t i o na n dt h ea n a l y s i s 埘t l lf i n i t e e l e m e n tm e t h o d b ye x p e r i m e n ta n da n a l y s i sw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h et h e s i s p r o p o s e st h em e a s u r ef o rp r e v e n t i o no f d e w - f o r m a t i o nw i t hal a y e ro f p o l y e t h y l e n e n e x t f r o mt h ea n a l y s i so ft h es t r e s sf i e l do ft h et e l e s c o p ew eg e tt h em a i nf a c t o r a f f e c t i n gt h et e l e s c o p ed i s t o r t i o na n ds t r e s s t h i sp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o ra n a l y s i sa n d d e s i g no ft e l e s c o p e si nt h ef u t u r e b yt h ea t m l y z i n ga n dr e s e a r c h i n go ft h et e m p e r a t u r e f i e l da n dt h et h e r m a ls t r e s so i lt h et e l e s c o p e w ec 趾s u p p l ys c i e n t i f i ce v i d e n c ef o rt h e d e s i g n , c a l c u l a t i o na n d 晒n gf o rt h es a l n et e l e s c o p e s k e yw o r d s ：t e l e s c o p et e m p e r a t u r ef i e l dd e w - f o r m u l a t i o nt h e r m a ls 缸e s sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 第页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名居趟。m 7 年 月j 百 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名i 乒型 1 一研年 月厂日 硬士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 1 绪论 1 1 大型光电望远镜阵简介 1 1 1 望远镜发展及其分类 揭开人类文明史的第幕，天文学便占有显赫的一席，天文学的研究对象是天体， 研究它们的位置、运动、结构演化规律。干百年来，人们凭借天体投向我们的光束发 现、探索、测量和研究它们；在近世纪，尤其是近几十年来，又扩展为接收天体发出 的一切种类的电磁波和来自太空的各种基本粒子。和任何一门科学一样，天文科学也 有其独具的特色：观察和测量，乃是整座天文学大厦的基石。不断创造和革新观测手 段，乃是世世代代天文学家们永志不懈的奋斗目标。而在所有的天文观测仪器中，始 终占据主导地位的则是天文望远镜“】。 中世纪时，一位叫利波塞的荷兰眼镜商人在制造镜片时，发现凸透镜和凹透镜会 在一起往外看时，远处东西就能变近。伽利略对这个发现极感兴趣，他用数学进行计 算，研究用什么样的镜片、怎样组合在一起效果最佳。最后，伽利略做了两根管子， 其中一个管子的一端放凸透镜，加一根管子的一端放凹透镜，其中一根稍微细一点， 正好套在加一根管子里可自由滑动。这样，观察时可以调节，选择合适的距离。经过 反复的研制和试验，终于在1 6 0 9 年8 月2 1 日发明了世界上第一架能放大3 2 倍的望 远镜。伽利略用这个工具观察月球表面，又发现了木星旁边有四个卫星，在围绕木星 运转。伽利略把他的天文发现经星体通报向世界报道，引起知识界的震动。 经过近4 0 0 年的发展，人类的观测手段越来越丰富，观测设备越来越精良。随着 人类科技的不断进步，激发其人们对宇宙奥秘的强烈兴趣，而观测和测量宇宙的最基 本工具就是天文望远镜。一般天文望远镜以构造来分类，可分为折射望远镜、反射望 远镜及折反射望远镜三大类。其中折射式望远镜使用起来比较方便，视野较大；反射 式望远镜光学系统简单，价格便宜；而折反射镜兼顾了折射镜和反射镜的优点，倍受 国内外天文爱好者欢迎。 1 1 2 空问碎片监铡望远镜 空间碎片监测望远镜，也即通常我们所说的大型光电望远镜阵。所谓空间碎片， 是指天然陨星体和人类航天活动如火箭、卫星残骸等在空间形成的废弃物的统称，也 就是人们常说的“太空垃圾”。有关资料显示，人类自开始进行航天活动4 0 多年来， 遗留在太空轨道上的空间碎片日益增多。而现在工作在太空中的航天器都是“不设防” 第l 页 的，在庞大的“垃圾场”中飞行，一旦遭到碎片豹碰撞后果将不堪设想4 0 。 空间碎片是人类空间活动的产物，它包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭 的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞产生的碎块等，是 空间环境的主要污染源。目前可被地面观测设备观测并测定其轨道的空间物体超过 9 0 0 0 个，其中只有6 是仍在工作的航天器，其余为空间碎片。随着航天事业的发展， 空间碎片与日俱增，滞空时间相当漫长，碎片之间相互碰撞或爆炸又产生新的、体积 更小的空间碎片，据估计直径大于l c m 的空间碎片数量超过了1 1 万个，大于1 m 的 空间碎片超过了3 5 0 0 万个拍1 。空间碎片的存在对航天器和航天任务的影响日益严重， 特别是加大了载人航天的潜在危害。另外，空间碎片再入大气层时，会对地面的生命 财产安全构成严重威胁，以核能为动力的航天器陨落时，由于放射性物质的大面积扩 散，对环境的化学和放射性污染后果更为严重。各种载人飞船、探测器、人造卫星纷 纷升空，拓宽了人类探索未知领域的视野，但是散落在太空中的人为碎片已成为太空 交通的一大安全隐患。据了解，地面望远镜和雷达能观测到的空间碎片大约每年净增 2 0 0 个，它们主要集中在地球同步轨道、半同步轨道高度区域和2 0 0 0 公里以下的高 度区域。目前，大大小小的空间碎片已超过4 0 0 0 万个，造成了空间环境的污染。这 些碎片虽然体积小，但是运行的速度极快，超出音速几倍，一旦与正在工作的航天器 相撞，很容易将航天器撞坏。 1 9 5 7 年1 0 月4 日，前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，揭开了人类空间 时代的序幕，同时也为太空送去了第一批垃圾( 空间碎片) 。在人类太空史上，太空 垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。1 9 8 3 年，美国航天飞机“挑战者”号与一块直径 0 2 毫米的涂料剥离物相撞，导致舷窗被损，只好停止飞行。前苏联的“礼炮一7 ” 号轨道站也多次被此类“尘埃”损坏。1 9 8 6 年，“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不 久便爆炸，成为5 6 4 块1 0 平方厘米大小的残骸和2 3 0 0 块小碎片，这枚火箭的残骸使 两颗日本通信卫星“命赴黄泉”! 随着人类太空史上的一次次壮举，太空垃圾与日俱 增。人类先后已将4 0 0 0 余颗卫星送入太空，目前仍在正常运转的仅有4 0 0 余颗，其 余的或坠毁于地球表面，或遗留在太空，成为太空垃圾。据统计，目前约有3 0 0 0 吨 太空垃圾在绕地球飞奔，而其数量正以每年2 一5 的速度增加。科学家们预测：太 空垃圾以此速度增加，将会导致灾难性的连锁碰撞事件发生，如果不加控制，到2 3 0 0 年，任何东西都无法进入太空轨道了”。 由于对空问碎片环境以及其对人类航天事业发展潜在危害的逐渐认识，国外从上 个世纪七十年代末开始关注空间碎片研究，联合国有关机构和世界各航天国家对这一 问题也越来越重视。我国是一个航天大国，无论是从保护空间环境，维护我国的外空 权益，树立我国航天形象，还是从提高我国空间飞行器在轨运行的寿命，保障载人航 天安全等方面出发，都需要加强对空间碎片的观测、减缓和防护研究。1 9 9 5 年6 月， 第2 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 经国务院批准，我国以国家航天局的名义加入了机构问空间碎片协调委员会( i a i ) c ) 。 自1 9 9 5 年以来，国家航天局开展了空间碎片领域的研究。并通过外交部向联合国外 提交了空间碎片问题研究在中国的研究报告，阐明了我国重视空间环境保护，加 强空间碎片研究，严格控制空间碎片的原则立场。2 0 0 0 年，在国家航天局的支持下， 空间碎片基础研究列入了国家财政专项，这极大地推进了我国空间碎片的研究工作， 提高了我国在国际空间碎片研究领域的地位。2 0 0 0 年底，在有关专家的共同努力下， 研究制定了“十五”期间空间碎片行动计划，全面规划了“十五”期间我国空间 碎片研究的总目标。 目前世界各国都在加大空间碎片的研究，设立了各类空间监测设备，美国及欧洲 已经建立了一套完整的空间监铡系统，并建立了空间碎片及人造航天器数据库。我国 在这一领域目前正处于起步阶段，观测设备也相当有限。随着以神州六号载入航天飞 船成功返回，我国的空间技术已经进入了全新的阶段，这就对卫星跟踪能力和空间碎 片的监钡9 能力提出更高的要求，因此研制新型观测设备已经成为近年来空间碎片研究 的主要方向。美国的投入大，科研基础雄厚，早在1 9 7 6 年n a s a 就制定了空间碎片 的研究方案，并建成了一整套的空间监测系统。在此基础上，建立了完整的空间碎片 和人造航天器的数据库和分析模型。1 9 8 0 年向世人推出世界上最强大的综合孔径射 电望远镜v l a 。威力强大的甚大阵的设计原则是按照英国赖尔提出的原理，但是 从灵敏度、分辨率、成像速度和频率覆盖四个方面全面超过英国赖尔综合孔径射电望 远镜。 1 2 国内外发展状况 图1 1 1 甚大阵 我国空间监测方面的研究较晚，1 9 8 9 年召开了第一届空间碎片研讨会，确立了 我国研究空间碎片的基本方向。第一条就是，充分利用我国现有的空间观测设备对空 间碎片进行有选择的跟踪，掌握第一手资料。随着空间技术的进一步发展，我国地面 第3 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 监测系统与欧美已有差距，已经不满足我国发展航天事业的需要，建立新型的空间监 测系统迫在眉睫。 2 0 0 3 年8 月9 一l o 日，国家航天局在上海组织召开了第二届全国空间碎片学术 研讨会。在我国空间碎片研究进展情况与后续工作考虑的专题报告中，指出空间 碎片行动计划实施以来，我国已投入专项经费1 8 6 0 万元开展空间碎片领域的研究， 并在五个方面取得了重要进展： ( 1 ) 空间碎片观测研究。完成一台2 5 c m 口径车载小型光学观测望远镜总装、调 试，并已投入运行；完成一台6 0 c m 口径地基光学观测望远镜的设计、生产，目前正 在总装；完成空间碎片天基探测雷达可行性方案论证，开展了天基直接探测可行性研 究：参加了两次i a d c 空间危险物体再入国际联合观测，观测结果国际对比精度位居 前列 ( 2 ) 空间碎片环境与数据库研究。完成空间碎片环境演化模式研究框架及相关 模块的代码编制；完成风险评估软件框架；完成可跟踪空间碎片动态数据库建设并投 入使用；完成微小空间碎片数据库建设框架，开展了i a d c 提供的几种空间碎片环境 模型的比对分析工作。 ( 3 ) 防护研究。完成i a d c 空间碎片防护手册的翻译出版；完成空间碎片被动防 护研究总体方案和需求分析；完成超高速碰撞实验需求和方案研究；完成主动规避算 法研究和预警软件框架；完成微小空间碎片激光模拟实验技术方案论证，并进行空间 碎片防护设计软件包的研究等。 ( 4 ) 减缓研究。完成“长征四号乙”运载火箭末级剩余推进剂排放研究并成功 应用于工程；完成“长征三号甲”系列运载火箭低温末级排放系统方案研究和部分地 面试验；完成地球同步静止轨道卫星死亡轨道的理论计算等。 ( 5 ) 综合性研究。完成“十五”期问空间碎片行动计划的编制；编制完成 国内外空间碎片资料和论文索引；完成空间碎片名词术语的制定等。 同时指出，今后我国将重点安排空问碎片防护研究，适度支持减缓研究，并提出 主要开展以下工作： ( 1 ) 空间碎片观测研究方面，提高空间危险目标陨落期预报精度，积极参与国 际联测活动，促进国际空间碎片观测数据的交换与共享，为可跟踪空间碎片提供观测 数据，探索新型空间碎片探测技术。 ( 2 ) 空阃碎片环境与数据库研究方面，解决微小空间碎片数据源，开展自主知 识产权的空间碎片环境模式研究，利用已有的研究成果和数据库，开展航天器主动规 避空间碎片撞击的预警规避专家系统研制。 ( 3 ) 防护研究方面，完成空间碎片被动防护设计软件包的研制，开展超高速碰 撞实验，总结一套适合工程应用的实验方法与程序，探索新型防护结构，开展新型模 第4 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 拟试验技术研究和航天器受空间碎片撞击失效模式与失效判据研究，编制中国的防护 手册。 ( 4 ) 减缓研究方面，开展运载火箭末级和卫星电池钝化技术研究、空间飞行器 寿命末期离轨技术研究、小型卫星发展对空间环境影响的分析以及小卫星减缓方法研 究，制定切合中国航天技术水平和实际情况的空间碎片减缓标准。 ( 5 ) 综合性研究方面，保持空间碎片研究协调发展，及时与工业和应用部门进 行沟通，参与国际空间法中空间碎片相关法律技术条款研究。 保护空间环境是空间技术可持续发展的前提，也是世界各国义不容辞的责任和义 务。我国是一个发展中的航天国家，航天活动所产生的空间碎片与世界主要航天国家 相比，数量非常少，但我国政府十分重视空间碎片问题，致力于空间碎片减缓和防护 研究，积极推进该领域的国际交流与合作，与世界各国一道，为保护空间环境作出了 应有的贡献“”。这次会议对促进空间碎片研究成果的交流和应用，进一步推进空间碎 片研究工作，提高对空间碎片的认识起到了积极的作用。 2 0 0 5 年3 月，我国唯一专门针对“太空垃圾”的观测中心“中国科学院空 间目标与碎片观测研究中心”在中科院紫金山天文台成立，将为我国在空间航天领域 建起安全预警系统。紫金山天文台在江苏盱眙建立1 2 米近地天体探测望远镜( 图 1 2 1 ) ，“其制造技术和观测范围世界领先，从中国上空经过的大部分太空杀手 都能被监控”，由于灯光、大气污染等原因，观测将全部在夜间进行。盱眙站是我 国唯一的天体力学实测基地，主要从事太阳系天体和人造天体动力学的实测研究。目 前已装备了口径1 0 5 1 2 0 厘米的近地天体探测望远镜和口径6 5 7 3 厘米水平式空间碎 片探测望远镜，以及其它一些小犁专用单远镜。 图1 2 1 我国最大的近地天体望远镜( i t 金山天文台盱眙观测站) 望远镜在观测期间会受长期经受空间辐射和环境温度交替加热和冷却的影响，环 第5 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 境高低温度的剧烈变化严重时会使镜筒结构产生对其精度很大的变形，从而引起精度 误差产生。望远镜对周围环境的变化非常敏感，而环境温度的恶劣性使得望远镜观测 精度的不确定性变大。随着科技的发展，空间望远镜的分辨率不断提高，一方面使得 光学系统本身口径更大，精度要求更高，如美国哈勃太空望远镜的主反射镜直径达 2 4 m ，新一代空间望远镜( v g s t ) 的主反射镜直径将超过8 m ；另一方面对光学系统的 支撑结构和材料以及对工作环境和空间热环境的适应能力提出更苛刻的要求“ 早在六、七十年代，我国就针对空间航天器进行热分析研究工作。九十年代，我 国引进了国外t l i a t r a n 、n e v a d a 、s i n d a 、i c e p a k f l u e n t 等热分析软件，用于几何模 型建立、角系数计算和温度场求解。在以往的传统热设计中温度要求一般作为最终指 标，相应的设计准则和检验方法也是以温度指标作为依据。采用这种方法在进行高分 辨率的空间望远镜的热设计时很难在较高的精度上对热设计直接提出准确合理的温 度要求。为解决这个问题美国早在2 0 世纪8 0 年代就开始采用热光学设计 ( t h e r m a l o p t i c a ld e s i g n ) 或热光学分析( t h e r m a l o p t i c a la n a l y s i s ) 的方法，对 高分辨率光学窗口和大口径空间望远镜进行热设计。目前己经拥有了成熟的设计概念 和理论，成功地将热控制技术与光学理论结合在一起，形成了一整套热光学设计分析 的方法及试验手段。 对望远镜以及其它光机电一体化的机械结构来说，其性能在很大程度上是受外力 载荷和周围环境温度综合影响的，它们之间的相互作用影响，最终决定了整个系统的 性能。在现代光学仪器设计中，需要对系统的性能做出精确地预测，为了完成这一目 标，必须对系统进行热、结构力学分析及其对光学系统的影响分析“”。早在二十世 纪九十年代初，国际上光学领域内尤其是航天工程中解决跨学科问题开始采用光机电 体化分析的方法，即从系统工程实际出发，全面考虑光学系统、机械结构系统与各 种外部热环境闻的关系，在进行光学设计和机械结构设计的同时进行热设计，实现性 能最佳、重量最轻、材料最省的总体设计参数的优化。随着有限元理论的日趋成熟和 计算机技术的飞速发展，各种有限元平台上的分析软件更加智能化和通用化，并且针 对机械、热传导、热应力等各个领域都有成熟的软件来解决本领域的问题，为光、机、 热集成分析打下了坚实的基础，图1 2 z 示为热、结构、光学分析设计相互关系图。 第6 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 图1 2 2 热、结构、光学分析设计相互关系 热设计和热光学分析是空间望远镜的关键技术之一，国外空间望远镜通常以望远 镜本体为主结构，主镜、准直镜、镜筒等结构直接暴露在复杂多变的空间热环境中， 这就不可避免地会产生较大的温度变化，而温度的变化使得在观测阶段的望远镜结露 结霜判定成为一个难题，传统的热设计分析方法在这方而越来越显示出局限性，热学 和光学以及气象学的交叉逐渐成为必要手段。本文对观测望远镜系统得监测望远镜进 行热分析，在避免结露结霜以及保温隔热等方面进行了详尽的分析，为地面观测望远 镜系统的设计提供参考。 1 3 问题提出及课题意义 l 3 1 课题的提出 我国十分重视空间监测望远镜的研制，目前已经或正在建立一系列的地地面观测 站。为进一步推进我国空间碎片监测研究工作，提高对空间碎片的认识起到了积极的 作用。但是由于望远镜大多数处在我国东北西南等偏远地区，观测环境十分恶劣，而 且为避免大气的影响观测通常会在夜晚进行，这就给望远镜设计的环境适应性提出了 很高的要求。特别是本课题所分析的望远镜是处在我国东北黑龙江地区，环境的恶劣 性可想而知，对望远镜在观测时间段温度场的分析因此显得特别重要。 本课题属机电一体化研究领域，源于实际工程项目“光电阵温度场设计研究”， 与中国科学院南京紫金山天文台合作研究，依靠该所大批先进测量仪器和机电设备， 以及开发研究望远镜的相关经验，针对正在研究的某型号望远镜展开分析，并且根据 结果给出设计改进方案。 1 3 2 本课题研究的意义 对于本课题中望远镜这样的精确观测仪器来说，除了影响观测精度的各种光学仪 第7 页 硕士论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 器、机械结构等仪器设计方面原因之外，外部环境对观测的影响不可忽略。考虑到当 地夏季炎热湿润多雨，冬季漫长而寒冷干燥，雪覆大地，极有可能在观测阶段发生镜 片结露甚至结霜现象，因此有必要分析望远镜部分的温度场分布为防止发生影响观测 的不利因素出现。由于望远镜所处环境各异，当地极高极低的温度使得望远镜的防结 露是观测系统设计的一个重要方面，同时在恶劣环境下望远镜的变形也不能太大以至 于影响观测。望远镜热分析控制技术是控制望远镜内部及外部总体环境热交换过程， 使其热平衡温度处于要求范围内的技术，并且保证在观测期间内外观测镜片不会结露 而导致观测失败，它是航天监测技术的重要组成部分。由用于望远镜热控制的各种材 料、部件和设备组成的热控系统，是正确安全观测十分重要的保障系统之一，此系统 性能的优劣、可靠性的高低直接影响到观测效果的好坏。 由于本监测系统位于高寒地区，冬季温度极低，而光学望远镜阵观测时间是在夜 晚，望远镜镜片直接暴露于空气中，当地温度低湿度较高，要保证在观测的时间范围 内镜片不会结蓐，就要考虑采用主动和被动的热控制技术，防止望远镜内外镜片在观 测时间结露。这样才能保证提前观测空间目标( 空间碎片) 、提高航天器抗御空间碎 片撞击能力和准确预报危险的目的。 1 4 本课题主要内容 本课题研究的过程中涉及到传热学、温度测试及实验技术、结构设计及保温绝热 技术等，主要采用数值分析和实验方法研究了望远镜的温度场应力应变场和系统在各 种气候条件下结露结霜问题及其在结构设计方面具体改进措施。 首先，从望远镜的发展入手，针对望远镜的发展历史和发展趋势以及国内外发展 现状，介绍了空间监测望远镜对航天技术、空间技术等方面的重大贡献，从本课题的 提出和意义方面作详细。 其次，介绍了望远镜在结构和安装上的特点，从热传导基本方程入手，利用有限 元方法求解温度场问题，采用数值方法对望远镜进行热传导分析，主要分析得出镜筒 在各种温度条件下特别是在恶劣天气下的温度分布，同时改变聚乙烯保温层厚度、改 变遮光罩材料等属性影响望远镜热分布的各因素的情况下，对望远镜进行温度场分析 并且与未加保温的情况作比较。最终确定望远镜遮光罩部分的保温措施，为望远镜各 项计算打下基础。 最后，根据现有的实验条件，分析室外空气温度下分析望远镜的结露现象及时间， 并与以上有限元模拟结果比较，可以得出数值模拟结果与实际结果是否一致，对模拟 结果进行准确度评价；同时根据得出的温度场对整体望远镜结构进行应力应变分析， 主要分析的内容是随室外温度的变化望远镜部分的最大应力和变形，从而得出影响望 远镜应力变形的主要因素，并且对此种极限环境下的望远镜的设计分析提供依据。 第8 页 硕士论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 图1 4 1 是本文的结构图，通过所分析的光机电一体化产品望远镜，特别是在外 界环境变化条件下给望远镜等光机电产品的设计提供一条一体化思路，即在现代光学 仪器的设计上，除了要考虑满足光学和机械的要求外，还要充分考虑在可变外界条件 下特别是在突发事件下应急防护措施。本文的思路就是通过分析望远镜在在恶劣环境 中形成的温度场以及相应的温度场对其光学系统结构的影响，实现温度场分析进而得 到热应力应变分析；集成分析结果进行综合评价论证，从实际应用方面对设计进行优 化 图1 4 1 本论文总体结构图 第9 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 2 光电望远镜结构设计分析技术 根据中国国务院新闻办公室2 0 0 6 年1 0 月发布的二0 0 六年中国的航天白皮 书中，明确提出中国航天事业未来五年的八大发展目标和十二项主要任务，其中研制 空间望远镜、新型返回式科学卫星等卫星，开展空间天文、空间物理、微重力科学和 空间生命科学的基础研究，加强对空间环境与空间碎片的监测能力，初步建立空间环 境监测预警体系作为十二项主要任务之一显示出了我国对空间监测的高度重视。 随着空间观测逐渐为世界各国重视，空问资源利用成为国航天大国争夺的对象， 一系列新型望远镜系统就产生了，其中望远镜阵列就是其中之一。所谓望远镜阵，即 由多个望远镜按照能够完成监测目标任务的一定组合关系建成的望远镜阵列，主要根 据空间监测目标的高度、轨道等来确定组合阵列的关系，具有很大的灵活性。根据科 学杂志相关文章，目前已经投入初步使用和即将投入使用的地面大型光学望远镜和望 远镜阵有：放在美国夏威夷莫纳克亚山上的口径为1 0 米的凯克i 、凯克i i 望远镜及 用它们构成的干涉阵：欧洲南天天文台放在智利帕纳那尔山上的4 架口径8 0 米望远 镜组成的甚大镜；美国和意大利合作的2 架口径8 4 米望远镜组成的大双筒镜 0 ，方程有唯一解，最终要求解的是一个大型线性代数方程。 如果系统的净热流率为0 ，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出 系统的热量：q 流入+ q 生成一q 流出= o ，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节 点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为( 以矩阵形式表示) 【删= 国 式中：k 】为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； 留 为节点温度向量； q 为节点热流率向量，包含热生成； 利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成k 】、仁 以 及似。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流 率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡 可以表达为( 以矩阵形式表示) ： 【c 料+ k 也 式中：k 】为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； 【c 】为比热矩阵，考虑系统内能的增加； 留 为节点温度向量； p ) 为温度对时间的导数； 妇 为节点热流率向量，包含热生成； 以上简要的介绍了利用有限单元法求解温度场的有关理论，由于不是本论文的重 点，故不再作进一步的论述和证明。在采用大型有限元分析软件进行分析时，这些有 第2 3 页 硕士论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 限元理论和求解的具体过程对用户来说是不可见的，用户可以只关心求解的建模、加 载、求解和后处理这些具体的有限元分析步骤，而对软件内部的具体计算程序不必深 究。 第2 4 页 硕士论文 大墅光电阵望远镜结构传热分析与设计 3 光电望远镜阵温度场有限元分析及结果分析 3 1 望远镜有限元模型的建立 根据以上望远镜结构我们知道，此望远镜具有极为复杂的几何形状和镜筒结构， 同时内部存在的不规则结构以及各自种类型光学镜片的存在给建模带来了很大困难， 必须建立合理的分析模型及方法。本章的主要目的就是要根据热传导的相关理论，建 立望远镜热温度场和热应力的三维有限元分析模型，并在此基础上对整个望远镜温度 分布及其结露的预测进行分析。 建立望远镜有限元计算模型主要包括几方面的内容：真实结构的简化、单元类型 的选取、简化结构的离散化、载荷处理以及边界条件处理等，其总体原则是：尽可能 地从结构的几何特性、力学特性边界条件及载荷环境等方面逼近真实结构，使计算模 型与原结构在弹性及惯性特征方面尽量一致。在几何特征一致方面，不要刻意追求有 限元模型与原结构的完全一致性，在某些截面变化部位及特殊外形部位，如果完全逼 近原结构，往往会出现畸形单元，这时就有必要改变原结构的外形1 。 对望远镜结构进行有限元分析，首先进行结构的简化，选择合适的单元类型或单 元组合划分合理的网格，处理好约束条件，使有限元模型结构尽量与原结构一致建立 有限元模型。与实际情况相比，该模型主要做了如下简化见图( 3 1 1 ) ： ( 1 ) 整体镜室的处理。我们知道，单个望远镜是安放在一个立方体的镜室内的， 只有在观测时镜盖才会打开，而这个立方体的镜室是由一毫米的铝板制成的，考虑到 有限元模型的简化，本文将镜室全部铝板按有限元壳单元处理。 ( 2 ) 望远镜的镜筒部分 、 、 、 q 蓬 i i l 0 5 t 墙 。弋o ， ； l i i ： 眵么，髟多钐 5 10 空气 图3 1 3 圆顶整体及其环境示意图 ( 2 ) 测站和观测室的环境 根据东北地区的环境气候特色，我们选择室外温度最高3 0 摄氏度( 夏季) ，最低 零下3 5 摄氏度( 冬季) ，室外湿度夏天7 0 8 0 ，冬天5 0 - - 6 0 ，由于当地冬季漫 长寒冷，我们计算的重点也主要考虑冬季的情况，计算出望远镜部分的温度场分布以 第”页 硕士论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 及平衡温度，进而得出镜片结露的时间 本次分析的加载主要采用第三类边界条件，空气对流系数通过理论计算以及经验 公式确定，分析时根据情况计算了在空气湿度为4 5 ，室内温度为l o 摄氏度。室外 温度为- 3 5 度一3 0 度，分别有5 度的间隔，图3 1 4 所示即在1 月2 0 号夜间测试当 地环境温度的变化。 图3 i 4 一月份夜间观测期问环境温度变化( 实际离散测量) 图3 1 4 可以看到，随着时间的推移夜间室外温度变化的趋势是逐渐降低，最终 降低到零下1 8 左右，即在观测状态下室外温度在零下1 2 摄氏度到零下1 8 摄氏度变 化。 3 2 望远镜数值模拟参数的确定 3 2 1 望远镜表面对流换热系数的确定 对流换热是一个复杂的过程，与流体性质、方向、和速度、壁面的形状和大小等 因素有关，一般的，有关表面与一定温度下空气的自然对流系数( 大约是 3 1 0 w ，m 2 。c ) ，空气强迫对流大约是2 0 - 1 0 0 w m 2 o c 。 表3 2 1 对流传热系数的大致范围 对流传热种类换热系数h ( w m = c )对流传热种类 换热系数h ( w m 2 c ) 自然对流传热 水 1 0 0 0 1 5 0 0 0 空气3 - 1 0 液态金属 3 0 0 0 1 1 0 0 0 0 水2 0 0 一1 0 0 0 气一滚相变传热 强迫对流传热水沸腾2 5 0 0 - 2 5 0 0 0 气体2 0 1 0 0 水蒸气凝结 5 0 0 0 - 1 5 0 0 0 高压水蒸气5 0 0 3 5 0 0 有机水蒸气凝结 5 0 0 一2 0 0 0 举望远镜筒为例：干燥机吹风( 吹风流量假定为每分钟2 立方米，湿度为1 0 ， 第2 8 页 硕士论文 大型光电阵望远镜结构传熟分析与设计 温度为1 0 一2 0 摄氏度度，间隔5 度) ，风速1 2 m s ，如图3 2 i 所示 髓 专p 专 瑚 图3 2 i 室内望远镜筒部分对流换热 查表得空气相关物理性质如下表所示： 表3 2 2 空气的热物理性质参数 tp c ， a，7 ， 只 1 0i 2 4 71 0 0 50 0 2 5 11 7 6 e 一5i 4 1 6 e 一50 7 0 5 2 0i 2 0 51 0 0 52 5 91 8 1 e 一51 5 0 6 e 一50 7 0 3 其中，t 为空气温度，单位为。c ；p 为密度，单位k g m 3 ；c ，为比热容，单位 k j k g c ；名为热导率，单位w 触c ；，7 为动力粘度，单位k g ( m s ) ；v 为运动粘 度，单位m 2 s 。 表3 2 3 流体横向外掠单圆管的对流换热计算公式 流体类型 计算公式( 白为修正系数) 空气 n | = c 1 避s 8 其他流体 帆= 1 1 lc l 彤。 r 。 c 1 n l 一40 8 9 10 3 3 0 4 4 00 8 2 10 3 8 5 4 0 4 0 0 0 0 6 1 50 4 6 6 4 0 0 0 - 4 0 0 0 00 1 7 40 ，6 1 8 4 0 0 0 0 2 5 0 0 0 00 0 2 3 90 8 0 5 第2 9 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 则雷诺数r , = v 口p 。= 筹。2 1 8 = 1 6 3 l 。7 6 查下表得到努塞尔数。= c i r ：= o 1 7 4 x ( 1 6 3 1 0 7 6 ) o “。= 6 9 8 口：丝00251x698 8 0 4 ( w m l “ c 1 d0 2 1 8 ， 即镜筒空气的对流系数在吹风的情况下大小约在8 0 4 ( w m 2 。c ) 左右，本文在计 算时考虑到恶劣环境的影响因素，取三套对流系数的数值，3 ( w m 2 “ c ) 、6 ( w m 2 c ) 、 9 1 w ，m 2 。c l ，这样在这三种情况下的结果作为镜片结露的判据；同时对于望远镜外 部的情况，亦取上述三种数值，这样可以在内外对流系数不同的情况下求得温度分布 的趋势，取得多种计算结果。 对于建筑物混凝土，只要外表面与周围空气存在温差，就会有对流换热产生，外 表面的换热系数主要取决于风速，可以根据经验公式得到，根据文献，取换热系数 口= 1 8 6 3 露椰，其中k 为建筑物表面的实际风速。 对于迎腼吒= 鬻；茄， 对于背风面：e = 0 3 + 0 0 5 v 另外，文献混凝土表面对流换热系数测试方法探讨一文中，文中根据传热学 原理，通过对混凝土表面对流换热系数进行测试，得到了混凝土表面换热系数与风速 之间的关系。通过精致的测试结果，试件周围风速为零时，对流换热系数为5 9 9 ， 同时对实验数据用线性和二次曲线进行回归，得到符合工程实际的对流换热系数表达 式：口= 5 4 6 v 4 - 6 。 当然，当地的气候是随时变化，但是经过长期的气象积累，我国各地区城市气象 资料有定的规律，表3 2 4 为部分北方城市年气候的总结。 表3 ，2 4 全国部分北方城市气象资料 序号城市年平均温度c风速m s 冬夏 1 北京 1 1 63 o1 9 2 海拉尔 一2 0 52 43 o 3 哈尔滨 3 53 43 3 第3 0 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 根据哈尔滨当第风速，暂取当地风速为3 4 * s ，口= 1 8 6 3 v , o 椰，得换热系数为 迎风面1 6 8 9 w m 2 c ，背风面( 自然对流和强迫对流) 取为6 w m 2 。c 左右。 3 2 2 接触热阻处理方法 两个固体之间导热，结合面完全贴合，具有相同的温度。但是实际上固体表面不 是理想平整的，两表面之间往往是点接触，或者只是部分的面接触，会使得接触面上 产生一定的温度降落，即接触热阻。 由于光学系统的精确度要求，望远镜设计装配表面都有严格的粗糙度要求，接触 面的粗糙度很小，在很大程度上降低了结合面上的接触热阻；接触面上的积压压力使 望远镜材料表面的点接触变形，接触面积增大，减小了接触热阻。因此在本分中我们 假定直接接触的两个固体之间导热时，结合面完全贴合，不考虑接触热阻的影响。 3 2 3 空气湿度问题及结露产生 为什么会结露? 目前日常生活接触到的结露现象主要还是由于物体表面的温度 和环境湿度相差过大( 物体表面必须是的低温体) ，使过多的水蒸气从空间析出而在 物体表面凝成水珠，即结露现象。我们知道，望远镜在夜晚观测时间是不能出现影响 观测的结磊现象出现的，特别是当寒冷的冬季观测阶段，室外环境温度很低，很可能 出现镜片结露影响观测精度，因此分析望远镜的结露是十分必要的，本部分主要介绍 造成结露的各种因素以及露点温度等问题，为下一步分析奠定基础。 温度较高的气体其所含水蒸气也较多，将此气冷却后，其所含水蒸气的量即使不 发生变化，相对湿度增加，当达到一定温度时相对湿度达到1 0 0 饱和，此时，继续进行 冷却的话，其中一部分的水蒸气将凝聚成露，此时的温度为露点温度( d e wp o i n t t e m p e r a t u r e ) ，当露点在o 以下结冰时就称为为霜点( f r o s tp o i n t ) 一般的露点 计算是以相对湿度为标准的，相对湿度被用来表示空气湿度的大小，“空气湿度”是 指空气中所含水汽的大小，湿度越大表示空气越潮湿，水汽距离饱和程度越近。表 3 2 5 是以室内温度1 0 c 为例下可查算的露点温度，可以看到，室内相对湿度越低， 露点温度越低，即越不容易结露，因此我们可以得出做好保温和降低室内湿度是避免 结露的主要措施。 第3 l 页 硕士论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计 表3 2 5 室内温度1 0 c 露点温度查算表 室内温度c室内相对湿度 露点温度c 3 0- 6 9 3 5 - 4 9 4 03 1 4 51 4 5 0+ 0 1 1 0 5 5+ 1 5 6 0+ 2 6 6 5+ 3 8 7 0 + 4 7 7 5+ 5 8 8 0+ 6 7 望远镜所安装的地点在东北，气候跟哈尔滨相似，由表3 2 6 我们知道哈尔滨年 平均湿度在6 0 左右，因此有必要对望远镜圆顶室内相对湿度的变化趋势及其范围进 行深入的研究，以此作为