主反射镜的一种轻量化设计

　　1　引　言

　　随着空间光学的发展,对地面分辨率要求越来越高,光学系统的主反射镜口径将越来越大,而主反射镜又是光学系统关键部件之一,其结构形式、镜体质量、安装方式、环境温度等都将直接影响整个系统的成像质量。为此大口径反射镜必须采用轻量化结构设计。探索和开展新的加工工艺,尤其对航天遥感仪器的轻量化有着重要的意义。本文就参加某项目对主反射镜结构轻量化设计的其中一种平背型蜂窝夹芯式结构的设计研究工作进行了讨论。

　　反射镜主要技术要求:

　　光学要求:有效通光口径为φ500 mm,面形误差≤λ/10

　　轻量化系数:≥50%

　　热环境温度:20°±4°

　　2　轻量化反射镜的结构

　　近年来,由于新工艺新技术的应用,出现了较多种形状的镜子结构。对于不同材料及不同用途的反射镜来说,其轻量化的结构形式也是多种多样的。目前我国用玻璃做镜坯的轻量化镜子的结构通常有开口式和闭口式两种结构形式。开口式结构可使重量减轻50%,用钻削、铸造成型或用超声波方法加工比较容易,但受力后镜面变形较同样厚度的实芯镜要大些。夹芯式结构的重量较开口式的要轻,重量可减轻60%以上,但加工难度大,成本高,受力后镜面的变形量与同样厚度的实芯镜相比要小,具有较大的刚度。本文主反射镜镜体结构采用了平背型蜂窝夹芯式结构设计。美国早几年已成功的应用这项技术。我国已经开展了这方面的研制工作,例如熔石英轻型球面反射镜等。平背型蜂窝夹芯式镜体结构如图1所示。前块面板为一等弯月形,其曲率半径为1996 mm,厚度为10 mm;底板为平面板,厚度为6 mm;中间为夹芯蜂窝式结构;轻量化单元做成六边形蜂窝状,六边形边长为31·5 mm,壁厚为3 mm,如图2所示。前面板、底面板、中间夹蜂窝状芯蜂窝式为熔石英材料。反射镜原重量为36 kg,采用这种轻量化结构后重量约为13 kg。这种镜体结构减少了反射镜固定时面形的变化,反射镜前端面的固定可分别压在反射镜的装卡环带上。

　　3　自重对反射镜变型的影响

　　有限元模型重力对镜面变形的影响不仅是一个力学问题,而且也是一个技术问题即设计和工艺的问题。重力变形与反射镜的材料、制作工艺、结构形状和支承方式密切相关。根据反射镜的熔石英材料、制作工艺、平背型蜂窝夹芯结构,应用有限元Al-gor程序,建立了主反射镜有限元模型(见图3)。用有限元法进行计算分析,在满足设计要求的前提下进行优化设计,选取最佳支承位置。主要分析了主反射镜在自重条件下,当镜面光轴处于水平位置和垂直位置时,不同支承情况下镜面面形的变化,以此作为主反射镜结构设计和支承方法的设计依据和评价标准。