大口径纹影系统主反射镜装调结构分析与设计

　　纹影技术是流场显示和测量的经典光学方法,其基本原理是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场气流密度进行测量,已广泛用于观测气流的边界层、燃烧、激波、气体内冷热对流以及风洞和水洞流场等领域[1-3].在超高风洞纹影系统中,主反射镜的面形精度对系统像质影响很大,为得到良好的纹影图像,设计中要求变形后镜面的均方根(rootmean square,RMS)小于λ/40(λ=633 nm).而引起镜面变形的原因有很多,如外界环境的温度分布、材料内部的残留应力、镜体的装调方式及装夹应力、自身重力及光轴安装方向等因素.对于大口径反射镜,不同的装调方式会对镜体的应力分布和镜面变形产生很大影响,合理装调结构能很好地保证镜面的面形精度,使其对像质的影响降到最小.本研究针对国内最大的高超声速风洞纹影测试系统(有效通光口径=800mm),分析支撑方式对主反射镜应力分布和面形变化的影响,校核主镜玻璃的机械强度,通过理论计算和优化设计,得出反射镜面变形的RMS值,并以此作为依据,设计出满足系统设计要求的主镜装调结构.

　　1　纹影系统光路结构

　　如图1,=800 mm高超声速风洞纹影测试系统采用反射式光路结构.反射式光路采用“Z”字形布置,狭缝和刀口装置分别位于两个主球面反射镜的焦平面上,光源经聚光镜会聚在狭缝上,由狭缝限制照明光源大小,经两次反射折转,得到平行光通过风洞窗口照明流场区,再经主球面反射镜将狭缝成像于其焦平面的刀口之上,与此同时,流场经主球面反射镜及照相物镜成像在相机的像面上.采用这种“Z”字形布置的结构,可减少因轴外光线成像造成的彗差和像散,从而提高系统的成像质量.

　　主球面反射镜是纹影系统的关键部件,其口径=840 mm,质量为156·8 kg,中心厚度为110mm.主镜面形质量直接影响系统的成像质量.由于自身的重力作用,这样大口径反射镜的支撑方式所产生的面形变化不可忽略,必须选择恰当的支撑方式才能避免其影响.

　　2　主镜装调结构分析

　　设计主镜装调结构需考虑选择合适的支撑方式,不同的支撑方式将使主镜产生不同的应力分布和面形变化.对于光轴水平放置的大口径反射镜的安装[4],常用的支撑方式有V形、吊带式支撑及这两种支撑方式的改进形式.由于V形支撑方式将产生较大的应力集中,不适合大口径反射镜的支撑,我们最终选择典型的钢带式支撑方式,此时镜体的重力分布在钢带与镜体接触的圆周面内,应力分布较均匀.针对主反射镜的这种装调结构,本研究采用有限元方法,分析主镜的应力分布和面形变化,以满足系统的设计要求.

　　2·1　主镜的有限元模型