基于Monte Carlo的聚焦型X射线脉冲星望远镜多物理场耦合分析方法

摘要

聚焦型X射线脉冲星望远镜(XPT)是涉及光学、机械学、热学等多学科的复杂航天载荷,多物理场耦合分析对提高其在轨性能和可靠性至关重要.传统的光机热多场耦合分析(MCA)方法并不能考虑X射线能量及其反射率信息,而且存在学科间数据传递困难的问题.为此,首先基于Monte Carlo和X射线全反射理论提出了一种高效的多物理场耦合分析方法.该方法同时考虑X射线能量和反射率两大特征信息,基于有限元分析(FEA)法建立了XPT热-结构物理场耦合方程和有限元分析模型,针对不同工况进行热分析、结构分析以及热-结构物理场耦合分析.其次,采用Construction Geometry函数分别提取不同工况下光学镜头面形的形变量,并基于多项式函数对变形后的镜头面形进行拟合和误差分析.然后,基于所提方法对变形后的光学系统聚焦性能进行分析与评价,得到镜头形变对XPT光学聚焦性能的影响规律.最后,以多层嵌套的XPT为例,对不同视场角和形变的X射线光学系统聚焦性能进行了仿真分析.结果表明,在全视场时热结构耦合形变、热形变及结构形变导致XPT聚焦性能分别下降30.01％,14.35％和7.85％,弥散斑均方根依次为2.914 3 mm,2.603 8 mm,2.531 1 mm.通过与试验结果对比分析,验证了所提方法的有效性,可用于XPT的可靠性设计.