超轻超薄反射镜主动支撑方案优化设计

　　1 引 言

　　空间光学的发展要求光学系统主镜的口径增大，体积和重量也越来越大。空间光学系统中光学元件的超轻量化问题已越来越为人们所重视，解决这一问题将为整个航天发射计划节约大量资金[1]。超薄反射镜概念的引入是解决重量问题的最佳方案。超薄是指镜子由传统的厚度、直径比在1:6-1:10之间下降一个甚至两个数量级，其刚度由支撑调节的致动器来保证，精密的调节利用反馈控制技术，主动地改变光学元件的位置、形状或光程来适应外界条件的变化，使镜面面形达到理想的精度要求。目前国内外已越来越多地采用主动超薄镜技术解决这一问题。采用这种光学技术具有以下一些优点[2-3]:

　　1) 可以有效地减轻镜子的重量，减小自重变形，从而也减少了发射费用;

　　2) 可以通过致动器有效地校正镜子的镜面误差，改善光学面精度;

　　3) 对镜面的加工精度要求不高，可以大大地降低了制造成本;

　　4) 完成安装后只需要对镜面进行定期检测和校正，不需要拆卸返修，能节省时间、降低维护费用，延长主镜的工作寿命。

　　2 超薄反射镜简介

　　美国将于2010 年左右发射使用的 NGST(下一代空间望远镜)就将采用超薄反射镜技术。超薄镜厚度仅为几个毫米，而其口径却可以达到数百毫米甚至上千毫米，因此反射镜连同其支撑机构和调节机构的面密度仍然可以保持在一个小的量级上。在 Arizona 大学首先制作完成的一块口径530 mm，厚2 mm 的模型镜中，共使用了36 个致动器，每个致动器的重量仅40g，镜子的全部总重量(包括碳纤维支撑架)为4.73 kg。经过致动器的调整，面形精度rms 值能达到53 nm。图1为亚利桑那大学研制的超薄镜样品。

　　目前Arizona 大学正在研制口径更大的薄膜型反射镜。有关超薄主动反射镜技术所见报道及文献仅限于美国 Arizona 大学光学中心的研究及我国长春光学精密机械研究所的薄膜型反射镜研究[3-6]。

　　3 超薄反射镜主动支撑方案优化设计

　　主动光学反射镜是通过分布在反射镜背面的致动器阵列向反射镜施加轴向作用力进行镜面面形控制及波面误差的校正，其控制和校正能力的大小与致动器阵列的数量和分布，以及装卡定位方式等因素密切相关。本文利用有限元法对光学反射镜在改变致动器数量和分布等多种参数下的有限元模型进行静力学分析，给出了评价主动反射镜镜面控制和校正能力的方法及最优设计方案。

　　3.1 超薄主动反射实验镜

　　表1 为口径500 mm 超薄实验镜的参数，根据非球面公式：