小型轻质长条反射镜挠性支撑方案研究

　　1 引 言

　　小型空间遥感器由于其体积小、 重量轻、 安装简单的特点， 在目前空间光学观测仪器中， 仍扮演重要的角色[1]， 尤其是采用较大视场的小型空间遥感器更具有广阔的发展前途。 一方面它可以满足大市场的要求， 另一方面可以实现重量较轻、 体积较小的特点。 光学反射镜成像表面的面形精度 (PV 值和rms 值) 是影响空间光学遥感器光学系统成像质量的关键因素 (对于成像光学系统， 要求反射镜面型精度 PV≤62 nm， rms≤12 nm)。 在重力环境下反射镜容易受重力作用导致变形， 而在温度变化的环境下，镜面也会发生变形， 这些变形会导致成像质量下降。为了使反射镜在力学环境工况下满足面形设计指标要求的同时， 在空间热环境工况下也能达到成像要求的面形精度， 就需要对反射镜的支撑结构进行合理的设计。 理论和实践表明， 在温度变化环境下，如果反射镜能够自由膨胀或收缩， 反射面上各点的球面性或平面性不会产生破坏性变化， 即各点的球半径矢量变化趋于一致， 此时反射镜面型精度不会有较大的变化[2]。 在支撑结构中增加结构的柔性， 反射镜在温度变化环境下具有良好的可变形性， 此时反射镜就具有良好的热尺寸稳定性。 但是， 抵抗动态载荷的能力将大大降低， 因此， 对柔性环节的使用必须进行仔细研究。

　　本文对 450 mm×150 mm 长条反射镜的挠性支撑进行了研究， 提出了单点挠性支撑， 并对具体结构进行了细致的研究。 反射镜采用反应烧结 SiC 材料，以保证镜体自身刚度。

　　2 反射镜结构设计及支撑方案的确定

　　对于小型反射镜的支撑， 三点支撑受面积的制约难以展开， 因此， 450 mm×150 mm 长条反射镜拟采用单点支撑。 反射镜采用单点支撑具有一定的优势：

　　1. 在调试反射镜组件时 ， 单点支撑的反射镜虽然也易受外界作用力的干扰， 但由于力臂较短， 对反射镜影响也相对有限。

　　2. 当环境温度变化时 ， 单点支撑结构的变形相对简单 (即不会由于多点支撑热变形产生互相干涉)，此时反射镜受支撑结构不均匀热应力的影响会大大降低。

　　单点支撑虽然具有一定的优势， 但弊端也很明显。 主要是由于支撑刚度不足， 在重力的作用下， 容易产生变形; 因此， 在设计支撑方案时， 首先必须保证镜体具有较高的结构刚度， 重力变形较小， 减小对结构的依赖性; 其次是尽量降低重量， 提高支撑结构的动态可靠性[3]。

　　考察镜体结构刚度主要是针对重力沿光轴方向作用下结构的变形。 图 1 为利用工程分析得出的优化前后反射镜结构变形对比。 上图为初始结构重力变形， 此时结构变形不能满足成像的要求; 中图为结构刚度的拓扑优化， 优化结果表明， 中心部位需要加强以调高整体刚度， 对结构刚度贡献不大的部位可以去除以降低重量; 下图是根据优化后重新设计镜体结构的工程分析， 此时结构变形满足光学成像要求。