碳纖維在航天光學(xué)遮光鏡筒中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
隨著碳纖維復(fù)合材料技術(shù)層面的不斷提高，其在高精密儀器設(shè)備中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，在精密機(jī)械設(shè)備的輕量化、高效能化發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。
用于航天光學(xué)遮光鏡的鏡筒是相機(jī)的主要承載力部件，它必須具備足夠的剛度和良好的尺寸穩(wěn)定性，不僅要配合滿(mǎn)足高分辨率、長(zhǎng)焦距、大視場(chǎng)等空間遙感技術(shù)對(duì)相機(jī)提出的種種要求，更要能經(jīng)受衛(wèi)星發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)、過(guò)載沖擊和噪聲等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，才能為衛(wèi)星在軌運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)。
相對(duì)于剛度較高的鋁合金、鎂合金等材料，碳纖維復(fù)合材料除了典型的質(zhì)量輕、剛度大等特點(diǎn)外，其用于光學(xué)鏡筒的主要優(yōu)勢(shì)還在于能有效利用材料的可設(shè)計(jì)性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)需要的主方向上增加剛度、控制熱膨脹系數(shù)等，其中，熱膨脹因素對(duì)于光學(xué)鏡筒的影響很大。
在設(shè)計(jì)鏡頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，為提高鏡頭的成像質(zhì)量，限制雜光進(jìn)入成像空間，通常在鏡筒內(nèi)設(shè)置消除雜光的光闌，光闌之間的間距是經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算得出的。航天光學(xué)遙感器所處的環(huán)境條件比較復(fù)雜，如因溫度變化大使得光闌發(fā)生變化，將會(huì)影響光學(xué)遙感器成像質(zhì)量。因此在航天光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)件線(xiàn)膨脹系數(shù)匹配是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。
與金屬材料相比，碳纖維沿纖維方向的熱膨脹系數(shù)極小，碳纖維復(fù)合材料可在主方向上熱膨脹系數(shù)在-1×10-6℃-4×10-6℃之間進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)環(huán)境條件所需要的線(xiàn)膨脹系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合材料鋪層，充分發(fā)揮復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期的材料線(xiàn)膨脹系數(shù)要求。
采用碳纖維復(fù)合材料制作光學(xué)鏡筒的另一原因是碳纖維復(fù)合材料的成型工藝更為適宜，可以實(shí)現(xiàn)一體成型。一般的光學(xué)結(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜，如果采用金屬結(jié)構(gòu)要通過(guò)大量的機(jī)械加工才能成型，而光學(xué)結(jié)構(gòu)加工到一定尺寸后會(huì)出現(xiàn)變形，這種變形往往會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)很?chē)?yán)重的問(wèn)題。
與鋁合金材質(zhì)的遮光鏡筒相比較，二者差異明顯。以一款碳纖維光學(xué)鏡筒與原有的同型號(hào)鋁合金鏡筒作比較，首先是重量得到了減輕，整個(gè)鏡筒部分長(zhǎng)達(dá)690mm，采用碳纖維復(fù)合材料的鏡筒重8.9kg，采用鋁合金材料的鏡筒重達(dá)13.8kg，在尺寸相同的條件下，重量減少了35％；其次，碳纖維復(fù)合材料鏡筒更容易實(shí)現(xiàn)超薄的壁厚，該款碳纖維復(fù)合材料鏡筒壁厚僅有3.5mm，而要達(dá)到同等剛度的鋁合金鏡筒壁厚達(dá)7mm；該款碳纖維復(fù)合材料鏡筒采用一體成型工藝制成，加工工藝性好，而作為鋁合金鏡筒因?yàn)楸”诘木壒剩瑱C(jī)械加工反而比較難操作。雖然從成本價(jià)格的角度說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料鏡筒的成本偏高，但是無(wú)論是制作周期還是綜合特性，其都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金鏡筒。
經(jīng)驗(yàn)測(cè)，這款遮光鏡筒在光軸方向上的線(xiàn)膨脹系數(shù)為0.55×10-6-1.00×10-6℃，徑向線(xiàn)膨脹系數(shù)為3.35×10-6-5.61×10-6℃，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。將安裝有遮光鏡筒的航天光學(xué)遙感器固定在振動(dòng)臺(tái)上，按空間環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了X、Y、Z三個(gè)方向的鑒定級(jí)正弦掃描和隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)遮光鏡筒承受的最大瞬態(tài)過(guò)載加速度為42.9g，振動(dòng)頻率最大達(dá)到71.2Hz，振前振后遮光鏡筒的固有頻率最大漂移小于2％。鏡筒在尺寸精度上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，鏡筒的性能也能充分滿(mǎn)足空間環(huán)境的特殊需求。
簡(jiǎn)言之，碳纖維復(fù)合材料作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，它的優(yōu)異性能可以提高航天光學(xué)遙感器的結(jié)構(gòu)效率及尺寸穩(wěn)定性，采用碳纖維復(fù)合材料制作鏡筒已是航天光學(xué)遙感器減輕儀器結(jié)構(gòu)重量的有效途徑之一。
從民用方向看，碳纖維復(fù)合材料也非常適用于制作天文望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)類(lèi)儀器設(shè)備的鏡筒材料，我們無(wú)錫智上新材料科技有限公司專(zhuān)業(yè)提供各種鏡筒用碳纖維管，壁厚、長(zhǎng)度、直徑均可來(lái)圖定制。
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用于航天光學(xué)遮光鏡的鏡筒是相機(jī)的主要承載力部件，它必須具備足夠的剛度和良好的尺寸穩(wěn)定性，不僅要配合滿(mǎn)足高分辨率、長(zhǎng)焦距、大視場(chǎng)等空間遙感技術(shù)對(duì)相機(jī)提出的種種要求，更要能經(jīng)受衛(wèi)星發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)、過(guò)載沖擊和噪聲等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，才能為衛(wèi)星在軌運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)。
相對(duì)于剛度較高的鋁合金、鎂合金等材料，碳纖維復(fù)合材料除了典型的質(zhì)量輕、剛度大等特點(diǎn)外，其用于光學(xué)鏡筒的主要優(yōu)勢(shì)還在于能有效利用材料的可設(shè)計(jì)性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)需要的主方向上增加剛度、控制熱膨脹系數(shù)等，其中，熱膨脹因素對(duì)于光學(xué)鏡筒的影響很大。
在設(shè)計(jì)鏡頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，為提高鏡頭的成像質(zhì)量，限制雜光進(jìn)入成像空間，通常在鏡筒內(nèi)設(shè)置消除雜光的光闌，光闌之間的間距是經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算得出的。航天光學(xué)遙感器所處的環(huán)境條件比較復(fù)雜，如因溫度變化大使得光闌發(fā)生變化，將會(huì)影響光學(xué)遙感器成像質(zhì)量。因此在航天光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)件線(xiàn)膨脹系數(shù)匹配是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。
與金屬材料相比，碳纖維沿纖維方向的熱膨脹系數(shù)極小，碳纖維復(fù)合材料可在主方向上熱膨脹系數(shù)在-1×10-6℃-4×10-6℃之間進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)環(huán)境條件所需要的線(xiàn)膨脹系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合材料鋪層，充分發(fā)揮復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期的材料線(xiàn)膨脹系數(shù)要求。
采用碳纖維復(fù)合材料制作光學(xué)鏡筒的另一原因是碳纖維復(fù)合材料的成型工藝更為適宜，可以實(shí)現(xiàn)一體成型。一般的光學(xué)結(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜，如果采用金屬結(jié)構(gòu)要通過(guò)大量的機(jī)械加工才能成型，而光學(xué)結(jié)構(gòu)加工到一定尺寸后會(huì)出現(xiàn)變形，這種變形往往會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)很?chē)?yán)重的問(wèn)題。
與鋁合金材質(zhì)的遮光鏡筒相比較，二者差異明顯。以一款碳纖維光學(xué)鏡筒與原有的同型號(hào)鋁合金鏡筒作比較，首先是重量得到了減輕，整個(gè)鏡筒部分長(zhǎng)達(dá)690mm，采用碳纖維復(fù)合材料的鏡筒重8.9kg，采用鋁合金材料的鏡筒重達(dá)13.8kg，在尺寸相同的條件下，重量減少了35％；其次，碳纖維復(fù)合材料鏡筒更容易實(shí)現(xiàn)超薄的壁厚，該款碳纖維復(fù)合材料鏡筒壁厚僅有3.5mm，而要達(dá)到同等剛度的鋁合金鏡筒壁厚達(dá)7mm；該款碳纖維復(fù)合材料鏡筒采用一體成型工藝制成，加工工藝性好，而作為鋁合金鏡筒因?yàn)楸”诘木壒剩瑱C(jī)械加工反而比較難操作。雖然從成本價(jià)格的角度說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料鏡筒的成本偏高，但是無(wú)論是制作周期還是綜合特性，其都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金鏡筒。
經(jīng)驗(yàn)測(cè)，這款遮光鏡筒在光軸方向上的線(xiàn)膨脹系數(shù)為0.55×10-6-1.00×10-6℃，徑向線(xiàn)膨脹系數(shù)為3.35×10-6-5.61×10-6℃，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。將安裝有遮光鏡筒的航天光學(xué)遙感器固定在振動(dòng)臺(tái)上，按空間環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了X、Y、Z三個(gè)方向的鑒定級(jí)正弦掃描和隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)遮光鏡筒承受的最大瞬態(tài)過(guò)載加速度為42.9g，振動(dòng)頻率最大達(dá)到71.2Hz，振前振后遮光鏡筒的固有頻率最大漂移小于2％。鏡筒在尺寸精度上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，鏡筒的性能也能充分滿(mǎn)足空間環(huán)境的特殊需求。
簡(jiǎn)言之，碳纖維復(fù)合材料作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，它的優(yōu)異性能可以提高航天光學(xué)遙感器的結(jié)構(gòu)效率及尺寸穩(wěn)定性，采用碳纖維復(fù)合材料制作鏡筒已是航天光學(xué)遙感器減輕儀器結(jié)構(gòu)重量的有效途徑之一。
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