1.5m级大口径标准镜面支撑系统的研究

　　0 引 言

　　近年来航天相机的有效口径不断增大，为了定标相机的成像质量及各种参数，必须研制大口径光学检测设备。光学镜面的口径越大，自重导致的变形问题越严重。传统的大口径光学镜面支撑方案是建立在天文望远镜主镜支撑设计基础之上的[1—3]，镜面在这种支撑方式下所产生的变形已不能满足航天相机定标对标准镜面面形精度的要求。如何在镜面使用范围内使其面形精度符合技术要求成为了重要的研究课题。

　　本文研究了直径为 Φ1. 5m 标准球面镜法线水平时的支撑方法，该镜面用于口径为 Φ 1. 1m标准平面 镜 的 Ritchey-Common 法 检 验。边 缘 厚 度 为0. 22m，曲率半径为 8000 × 10- 3m，通光口径不小于Φ 1. 4m，材料为微晶玻璃，密度为 2. 58 × 103kg / m3。泊松比为 0. 247，弹性模量为 8. 993 ×103mN / m2，要求满足球面镜在法线水平状态下面形误差 RMS≤λ /50，PV≤λ /10。

　　1 镜面支撑方案

　　该 1. 5m 的球面镜属于固定在实验室中的垂直镜面，需要在法线水平方向上满足面形精度的要求。现列出常用几种支撑方案并进行分析:

　　1. 1 柔性钢带支撑

　　柔性钢带支撑时，本身为一个动滑轮模型，在忽略摩擦的情况下，钢带每段所受拉力大小相同。对于下半圆内任意位置取圆夹角为 dθ( θ 取无穷小)的微圆，其受力情况如图 1 所示，F2= F3= G /2，F1为 F2与 F3的合力。显然，从力的大小上来讲:

　　由于 dθ取微分量，dθ→0，则dθ/2→0，sin( dθ/2)→dθ /2，等量代换，得

　　对于微弧段 ds 来说，F1即为其所受的合力，则该弧段所受载荷为

　　上述推导对于接触圆的下半圆任意一点都适用，即柔性钢带支撑力沿镜子下半圆径向均匀分布[4]:

　　在进行有限元结构分析时，用上面方法计算出来的支撑力需合理转化为节点载荷。

　　1. 2 水银带支撑

　　水银带支撑方式采用特殊材料盛放水银，把镜体置于其上，故镜体所受的压强为来自液体内部的压强，其大小只与所处水银带中位置高低有关。由液体压强公式 p = ρgh 可知，随着高度的增加，压强线性变大。得出的水银带支撑力分布规律为

　　水银带的宽度 b 由镜子的重量确定:

　　1. 3 柔性钢带和杠杆平衡重锤卸荷组合支撑

　　侧支撑采用钢带和杠杆平衡重锤卸荷的组合支撑方式，并使钢带和重锤各承担约 50% 的重量。由于在钢带单独作用于镜面时，镜子的自重使得横向挤压力加大，镜面变形严重。现配合镜面背面的卸荷杠杆来平衡重锤支撑，镜面在钢带上的分力变为原来的 1/2，镜面变形程度明显减小。卸荷杠杆重锤数越多，就越均匀，镜面变形就越小，但从结构安排以及成本上来讲又希望支撑少，这是一个最优化设计的问题。由于安装位置需要在标准镜背面打孔，为了使镜子强度不被削弱的太严重，需尽可能减少数量和排列圈数。选用单圈来排列，初定半径为0. 7 R[5]，数量为 6。重锤与钢带各分配标准镜的一半重力，则每个重锤分配 1/12G ( G 为标准镜的重量) 。各支撑方案受力示意图如图 2 所示。各方案的优缺点为: 柔性钢带仅用于光学车间或实验室的固定不动的垂直镜子，其特点是结构简单，但横向挤压力较大，镜面变形( 像散) 较大; 水银带支撑仅用于侧支撑，特点是结构简单，体积小，但径向挤压力较大，镜面变形较大; 钢带和杠杆平衡重锤卸荷的组合支撑方式，钢带在单独作用于镜面时，镜子的自重使得横向挤压力大，镜面变形严重，配合镜体背面的卸荷杠杆平衡重锤来支撑，镜面变形程度明显减小。