宽温变环境的空间反射镜结构分析与研究

　　0　引　言

　　本文涉及的反射镜为某空间超光谱成像仪的主镜,有效通光孔径为178mm×148mm,镜面为二次非球面,曲率半径R=1455mm,光学设计要求的面形精度优于(λ/10) PV和(λ/50) RMS(λ= 0.6328μm),组件重量小于2.5 kg,在轨工作温度水平变化范围为18±15℃,并且需要满足地面力学环境试验的要求。

　　为了获得良好的光学加工工艺性和较高的面型精度,光学材料选择了德国SCHOTT公司Zerodur光学玻璃,它的优势是具有优秀的内部品质和化学稳定性,近似于零的膨胀系数。但同时也存在着材料刚度特性差(与SiC相比)和结构材料的膨胀系数与其匹配困难等问题。尤其是该系统的温度水平变化较大,小型载荷的力学实验环境条件偏高,这些都对反射镜结构、支撑结构的设计提出了较高的要求。

　　1　反射镜的组件方案

　　通常小型反射镜的安装形式包括半运动学的安装、胶接安装、挠性安装3种形式,每种形式都具有各自的特点。其中,半运动学的安装形式具备理想的6自由度约束形式,如图1所示,可以避免不期望的外部施加力所产生的反射镜变形。

　　为了防止反射镜脱离定位面,需要外部载荷对反射镜施加一预载作用力Pmin:

　　式中:W为反射镜的重量;fs为安全系数;∑aG为由外部施加的静态和动态加速度的矢量和,如固定的加速度、随机振动、正弦振动和冲击等。如果系统的力学环境较恶劣,将导致反射镜和结间产生较大的运动趋势和集中受力点。

　　反射镜的胶接安装就是将玻璃与金属粘接在一起,这种设计技术简单紧凑,能够提供足够的机械强度,经受得起大部分的航天应用环境中的剧烈冲击、振动和温度变化。但这种设计对粘接结构形式、胶粘剂、胶粘工艺及处理有较高的要求,如果处理不好,产生的粘接应力将导致镜面精度的下降。挠性安装是基于半运动学安装基础上的一种装配方式,即根据定位的要求在特定的方向上实现刚性约束,同时在其他方向上实现自由度的释放。挠性结构在释放安装应力和温度应力时,既可以实现反射镜相对结构件间的相对运动,同时又可以避免非线性接触摩擦的产生。

　　本反射镜的组件方案(图2)是:采用可铣磨加工的轻量化镜体结构,有利于工艺控制和降低重量;采用中心定位环与Zerodur进行粘接,可提高结构件与光学件的连接强度和可靠性,但材料需要有精密配比的膨胀系数;中心定位环通过挠性结构与接口背板相连,缓解和释放外界安装应力和温度应力对反射镜的影响;接口背板采用比刚度较高、工艺性好的钛合金材料,并在结构上也可部分释放外部应力。