空间太阳望远镜中铍摆镜的有限元分析与应用

　　1　引　言

　　摆镜是空间太阳望远镜相关跟踪器中的核心部件之一,在其光学系统中做二维摆动使光束受控地产生快速、小角度变化以补偿因卫星振动而引起的图像抖动。相关跟踪系统的动态范围、精度由摆镜的动态范围、精度决定,有效带宽也受到摆镜谐振频率的影响,摆镜综合性能的好坏直接决定相关跟踪系统的使用性能,而摆镜的综合性能直接受镜面材料、镜体结构等因素的影响,因此,摆镜的材料选择、结构优化设计及有限元分析非常重要。

　　天文仪器中常用的镜面材料有碳化硅(SiC)、微晶玻璃、超低膨胀玻璃等,而新型镜面材料―铍(Be)与其它镜面材料相比具备一定优势,具有密度小、比刚度大、热变形系数小、材料各向同性、尺寸稳定性好等优点。对于重量和性能要求十分重要的摆镜来说,铍是空间光学系统首选的镜面材料。铍镜在发达国家的天文仪器中已得到成功应用,如美国的JWST[1]、ITTT[2]、日本的JAMI[3]、欧南台的VLT[4]等项目。我国对铍镜应用研究起步较晚,上个世纪末期在资源一号、风云一号卫星上应用了工作在红外波段的铍扫描镜[5-6]。目前正在研制的风云四号卫星也应用了工作在红外波段的铍镜,但铍镜进口于俄罗斯[7]。另外,铍镜也多用于军事装备,发达国家对铍镜研制技术严格封锁,使得我国自主研制铍镜十分必要。

　　本文针对空间太阳望远镜相关跟踪器中的摆镜,在国内首次进行了工作在可见光波段的铍镜研究,重点进行了摆镜材料优选、有限元分析、同结构铍摆镜与SiC摆镜进行对比分析,特别是对摆镜在惯性载荷和温度载荷情况下的面形变化及应力分布进行了详细研究。

　　2　摆镜的材料优选与结构设计

　　摆镜材料性能和结构的优劣直接决定摆镜和相关跟踪系统的使用性能,选择性能优异的镜面材料和设计合理的镜体结构十分重要。

　　2.1　摆镜材料选择

　　摆镜材料选择需要考虑相关跟踪系统的光学要求、环境要求,以及镜面材料性能和生产成本等因素。空间太阳望远镜所在的环境为太空环境,使用条件是微重力或无重力,低温或者是大温差,同时要考虑到发射时对整个系统的要求。因此,选取摆镜材料时主要考虑以下几个因素[8-10]:(1)比刚度(弹性模量E/密度ρ)大;(2)热稳定系数(热膨胀系数α/热导率κ)小;(3)材料本身稳定性好;(4)易于加工,等等。

　　在天文仪器反射镜材料(如表1)中,金属铍与其它镜面材料相比具备一定优势:铍的密度最小,约为SiC等材料的2/3;铍的比刚度最大,是SiC的1.5倍,是其它镜面材料的4~6倍;铍作为空间镜面材料既减轻了镜体质量,又减轻了支撑系统的质量,可降低仪器的发射成本;铍的比热容也最高,当温度变化时,镜体能很快达到热平衡,避免因温度梯度导致镜体扭曲变形;铍材作为金属其工艺性能良好,可以直接进行机械加工。因此,铍是下一代空间光学系统中首选的镜面材料。