空间望远镜主镜的热光学特性分析

　　1　引　言

　　对空间望远镜光学系统中主要光学元件主镜的热光学特性的分析,将为光学系统热控设计提供重要依据,指导空间望远镜的热设计。本文应用基于集成分析的热光学分析方法,对已完成了光学设计的某空间望远镜的主镜的热光学特性进行了研究,分析了结果,给出了许用温度梯度的范围,为热控方案设计提供指导。

　　2　热光学分析

　　在以往的传统热设计中温度要求一般作为最终指标,相应的设计准则和检验方法也是以温度指标作为依据。采用这种方法在进行高分辨率的空间望远镜的热设计时,由于很难在较高的精度上对热设计直接提出准确合理的温度要求,从而给热设计带来了较大的困难。为解决这个问题美国早在20世纪80年代就开始采用热光学设计(Thermal-opticaldesign)或热光学分析(Thermal-optical analysis)的方法,对高分辨率光学窗口和大口径空间望远镜进行热设计。目前已拥有了成熟的设计概念和理论,成功地将热控制技术与光学理论结合在一起,形成了一整套热光学设计和分析的方法及试验手段[2—4]。

　　所谓的热光学分析也称为热光学设计,就是直接采用光学指标,对高分辨率的空间望远镜或空间相机的热设计进行评价和优化。其目的就是获得环境温度的变化对光学系统成像质量的影响情况,在此过程中,温度指标只作为一中间变量和设计结果,不作为热设计的最终指标。

　　利用均方根波像差(RMS值)进行总体误差分配是较为常用的一种热光学分析方法。首先,将光学系统的整体误差指标根据经验分解成各个光学元件的误差指标,以求得由于温度变化带来的热弹性变形的误差极限值。然后,通过人为设定的温度场来计算每个光学元件的热弹性变形,将它们与极限值进行对比来粗略估算温度变化的范围和各光学元件的温差指标。通常分配给热控系统的误差在数值上约为总体误差的一半左右,约为λ/20~λ/40。国外几种高分辨率的空间望远镜如哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)、大型空间望远镜(LargeSpace Telescope)都采用了这种热光学分析方法[5]。

　　近年来利用集成分析进行热光学分析的方法日渐成熟起来,这种方法通过数据在各学科不同的分析软件间直接转换,避免了误差分配方法中存在的各种人为因素所带来的不合理性,同时可以直接利用像质评价参数对光学系统的光学性能进行评价。如何将有限元方法计算所得到的光学元件在热载荷作用下产生的误差准确体现为光学系统的像质变化是这种热光学分析方法中的关键。本文采用自编的接口程序将有限元分析软件得到的节点位移数据转换为光学分析软件所能接受的文件格式,输入光学分析软件进行光学性能分析。