激光与红外

作者：张鲁铭，练敏隆，，晋利兵，李欢

单位：1.北京空间机电研究所，北京 100094；2.北京大学 力学与工程科学学院，北京 100871；

关键词：低温环境;星载凸面闪耀光栅;热形变;热补偿结构;有限元分析（FEA）;面型精度

星载凸面闪耀光栅作为星载光谱仪的核心分光元件，在轨道低温环境（如 90K）下易受材料热膨胀系数差异、温度梯度等因素影响产生微形变，进而导致面型精度下降、衍射效率衰减，严重威胁星载光谱仪的在轨工作性能。为解决这一关键问题，本研究旨在揭示低温环境下 “光栅-胶接-支撑框” 系统的形变机制，并设计满足面型精度要求PV≤01λ的热补偿卸载结构。研究采用有限元分析开展热-结构耦合仿真，先通过控制变量法明确系统形变的主要诱因；随后针对性提出45°圆心角构型、减刚度设计、增加触点数量三种热补偿方案，并通过应力场分布、位移场变化及模态分析，系统评估各方案的性能表现。结果表明，支撑框与光栅之间的材料热膨胀系数差异是低温形变的核心主因；三种方案中，45°圆心角构型优化效果最优，可将光栅胶接处最大Mises 应力降至处于胶接层许用应力范围内的 9912 MPa，且引入光栅加工误差PV=0015 λ后的综合面型PV值仅为 0028 λ，完全满足星载光谱仪对光栅面型 PV≤01 λ 的技术要求。该研究成果为星载光栅的低温热设计提供了关键工程参考，对推动高稳定性星载光谱仪的研制、保障空间遥感与深空探测任务的光谱数据质量具有重要实践价值。

来源：2026年第3期

《激光与红外》期刊编辑部

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