空间相机主镜加工状态下的有限元分析

　　引 言

　　空间光学系统，由于使用条件的特殊性，随着口径的增大，像质要求的提高，采用轻量化结构是其发展的必然趋势和要求。同传统的实心镜相比，轻型结构的镜子具有十分显著的优点：对温度不敏感、重量轻，便于安装、定位，并大大降低卫星的发射成本。然而，由于其结构的特殊性，大口径轻型镜面的加工要比实心镜面加工复杂得多，困难得多。影响轻型镜制造精度的因素很多，其中，镜子在加工中的支撑方式是急待解决的关键技术难题之一。轻质镜的特殊结构使得传统的分析方法难以适应现代光学加工的需要。

　　针对空间卫星相机核心部件φ 470mm 轻型球面镜任务，笔者运用有限元方法对在加工状态下的轻质镜体的受力变形作了较详细的分析、研究，设计了一套比较合理的支撑结构，较好地解决了这个问题。镜面的最终加工结果较为理想，其PV值达到λ/10，RMS 值达到λ/62。

　　1 镜体结构与主要技术参数

　　本文所探讨的空间相机主镜口径为φ 470mm 的球面镜，径厚比 6.5/1，镜子的加工精度要求为λ/8(λ=632.8nm)，减重比大于 65%。镜坯材料选取熔石英。该材料具有优良的机械物理性能和化学稳定性能，刚度大、材料比刚度(E/ρ)高、密度低、线膨胀系数也较低，是空间光学系统难得的优良光学材料，采用这种材料不仅可以有效减轻镜子的重量，同时也可减小加工与装配中镜子的受力变形。该轻质镜采用夹层结构。其轻量化孔为蜂窝状。目前，国内外轻质镜主要用以下三种方法制成：一是采用直接熔铸法，将镜坯材料直接铸成轻质结构，但这一技术难度大，只有美国等极少数国家有时采用这种方法;二是采用背部机械打孔方式，用超声波在镜体背部打出一定形状的轻量化孔，这是一种开放式的结构;还有一种是采用高温粘接的办法将内部夹芯层、上下面板、和内外环全部粘接到一起，本文所讨论的镜子就是这种结构。这种结构具有良好的抗弯曲和抗扭转能力，减重比大，综合性能较好。

　　2 分析与建模

　　镜子在加工过程中会受到多种力的作用，其中最主要的是自重力、磨盘正压力以及磨盘剪切力，这些力均会使镜子产生一定的变形。本文运用有限元力学分析方法分别讨论镜子在这些力作用下的变形规律。分析具体步骤为：

　　1) 建立有限元模型：将镜子离散为有限的单元和节点，建立有限元模型。其中，镜子的上、下面板以及内外环均采用块单元，内部网格采用板壳单元。建成后的模型如图1 所示。

　　2)设计一系列支撑结构，将其转化为有限元的边界条件，将边界条件与载荷共同作用于镜子模型。