大孔径长条反射镜支撑结构的设计

　　1　引　言

　　在采用离轴三反(Off-axis three mirror anas-tigmat)光学系统的长焦距、大孔径高分辨率空间遥感器中,参与成像的主镜通常为尺寸最大的光学元件,其外形一般为长条形,属于非轴对称结构。目前,国外已经成功发射十余种不同类型的离轴三反空间光学成像遥感器[1],但对于这些遥感器所使用的长条形大孔径主反射镜及其支撑结构设计却鲜有介绍。大口径反射镜及其支撑结构的设计需要考虑地面加工、装调、发射运载、空间轨道运行等环境因素的影响[2-3],最大限度地提高反射镜的环境适应能力。在结构设计中,一方面要满足反射镜在重力、温度载荷以及重力与温度载荷耦合作用下的面形精度和位置精度(含刚体位移和反射镜倾角)要求,另一方面要考核反射镜结构系统的动态刚度,即反射镜组件的一阶固有频率和振型,使其具有足够高的一阶固有频率,以免在发射运载动力学环境中发生反射镜系统与整机或运载工具的共振。除了考虑反射镜结构系统的动、静态刚度和热尺寸稳定性要求,还要使反射镜结构系统质量最轻。实际上,这些指标要求与结构设计相互矛盾,因此,如何在这些矛盾中寻求折衷,使系统整体性能指标达到最优成为反射镜支撑结构设计的关键。

　　本文所研究的离轴三反遥感器属于长焦距大口径空间光学遥感器,其长条形反射镜孔径较国际文献所述的遥感器中的反射镜要大[4-6],它的支撑结构设计相对于长条小孔径反射镜及圆孔径反射镜则更具挑战性[7]。光学成像对这个反射镜提出的最基本的光学性能指标要求为:反射镜在自重和4℃均匀温变载荷工况下面形精度满足PV≤λ/10,RMS≤λ/40(λ=632.8 nm),反射镜倾角变化不大于4″。本文详细地推导了长条形反射镜支撑结构的模态解析式,结合有限元分析技术合理地设计了一种长条形反射镜支撑结构,并得到了满足设计指标要求的支撑结构形式。分析和试验表明,这种大孔径反射镜支撑结构形式完全满足空间遥感器的使用要求。

　　2　大孔径长条反射镜的支撑方式

　　在空间遥感器中,大孔径反射镜的支撑结构设计首要考虑的问题是支撑方式的确定和反射镜及支撑结构材料的选取[8]。

　　支撑方式的确定:大孔径反射镜的支撑方式通常采用两种形式:其一为周边粘接固定,将反射镜设置在镜室中间,反射镜周边采用胶层粘接的形式,与镜室固定到一起。这种方式工艺简单,容易实现,但反射镜定位精度差,而且要设计一个较大的镜室结构,成本大且加工周期长;其二是在背部设置多个支撑点,这些支撑点或者跟大托板直接相连接,或者通过中间环节过渡到三点,再与大托板相连接。多点支撑方式虽然可以较大程度的提高动、静态刚度,但缺点是它对加工工艺及其零件的加工精度提出极高的要求,甚至超出一般工艺手段的能力范围。即使装配良好的组件,在动态测试和热环境试验中,金属件因为类似退火效应产生相互干涉、微小滑动的概率会非常高,一旦出现相互干涉和微小滑动的现象,反射镜的面形质量将急剧降低,各种像差将相继出现,最终将导致反射镜无法正常使用。因此,本文直接采用背部三点支撑的方式,虽然这种方式系统的刚度低于背部多点支撑,但经过充分的理论分析、有限元分析及优化设计,权衡反射镜各种性能参数,得到了最佳的平衡点,满足了反射镜的光学性能指标要求。