超轻量化SiC反射镜有限元分析及应用

　　1　引　言

　　由于空间光学系统使用条件的特殊性和像质要求的不断提高,对非球面反射镜的轻量化要求也越来越高。轻量化结构的反射镜是空间光学发展的必然趋势。近两年来,SiC反射镜的发展格外引人注目。随着生产工艺的逐渐成熟,SiC反射镜将成为空间光学系统轻质反射镜的优选材料。SiC材料比刚度大,具有玻璃的光学性能,能够达到可见光的衍射极限分辨率,从常温到低温具有较好的光学热稳定性。利用它的特点设计轻量化结构的SiC反射镜与其它材料相比优点更显著,可减小由于空间失重引起的光学镜面面形变化,可大幅度地减轻整个光学系统的重量,同时又能保证相机镜头的结构刚度和结构稳定性。

　　结合研究项目的需要,光学系统主镜采用SiC反射镜,它突破了传统的镜框支撑方法,是一种无镜框支撑方式。为了使主反射镜适应这种无镜框支撑方式,要求在力载荷作用下其变形满足设计要求,并尽可能的减轻重量。本文对SiC反射镜的结构形式进行了优化设计,并进行了有限元分析和计算,所设计的结构形式为超轻量化的背部开蜂窝孔的SiC反射镜,轻量化程度可达到71%,这为主反射镜的支撑结构的设计提供了设计依据。

　　2　主要技术要求

　　2.1　技术指标

　　反射镜口径:Φ396mm

　　径厚比:10/1

　　轻量化系数:≥70%

　　热环境温度:18°±3°

　　面形误差: RMS=λ/30

　　2.2　支撑方式

　　根据项目的要求,主反射镜拟采用无镜框支撑方式,所设计的SiC反射镜结构形式要满足以背部支撑为主和中心支撑为辅的支撑方案,如图1所示。

　　3　设计

　　3.1　镜体材料

　　空间光学系统常用的材料有铍、熔石英、微晶玻璃、复合材料以及近几年来新发展的SiC材料。这些材料的性能比较见表1。

　　从表1可知,SiC的比刚度仅次于铍,优于其它各种材料,热稳定性优于所有材料,综合性能较好,抗弯曲和抗扭转能力较强。为了实现无镜框支撑的技术要求和轻量化,设计中选用了SiC作镜体材料。

　　3.2　镜体轻量化结构

　　在镜体结构设计中考虑了国内外已广泛采用的几种轻量化结构。结合项目的具体要求,设计了背部开蜂窝孔和背部开扇形孔的结构形式。考虑到目前SiC反射镜材料的制作和加工工艺水平,加强筋不能小于3mm。所以设计中对加强筋的厚度、轻量化孔的大小和深度、镜面的厚度、镜体的中心厚度等进行了优化设计。通过对这两种轻量化结构的重量进行对比计算,背部开口式蜂窝结构的重量为7.11kg(图2(a)),背部开口式扇形结构的重量为8.69kg(图2(b))。就可加工性和刚度而言,蜂窝孔结构刚度最优。重点设计了背部开口式蜂窝孔结构,在背部开口式蜂窝结构的基础上,在镜体背部周边倒角,设计成了薄边背部开口式蜂窝结构,径厚比取10.5∶1,将其称为超轻量化背部开口式蜂窝孔结构(图2(c)),所确定的超轻量化背部开口式蜂窝孔结构重量仅为4.81kg。