大口径双拱型SiC反射镜背部构型初步研究

　　1　引言

　　常见反射镜有平背型、弧背型和双拱型等结构外形。平背型反射镜刚度较高,但质量较大,如SOFIA(The Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy)相机主镜,其口径为2 700mm,轻量化后质量390kg[1];弧背型反射镜去除了反射镜背部部分结构材料,质量较小,但是刚度低,自重变形较大,如赫歇尔(Herschel)相机主镜,口径3 500mm,质量210kg,主镜自重变形17μm,通过补偿机构进行调整,自重变形下降到1μm[2-3];双拱型反射镜兼具平背型及弧背型反射镜两者的优点,质量较小,刚度分布比较合理,且自重变形小。典型应用如ATST(The Advanced Technology SolarTelescope)次镜,该反射镜材料为SiC,口径650mm,反射镜背部为三角形轻量化结构,外边缘厚度为25mm,背部筋板最小厚度为30mm,最大厚度为50mm,筋板宽度均为5mm。其支撑结构为位于背部筋板最大厚度处3个Bipod(两脚支撑)支撑,面形误差RMS值在经过校正后达到25nm[4]。ATST次镜背部结构如图1所示。

　　本文对基于背部三点支撑的大口径双拱型SiC反射镜背部构型进行初步研究,重点分析了反射镜厚度、面板厚度及背部筋板宽度对反射镜面形的影响。

　　2　反射镜背部构型初步设计

　　对平背型反射镜面形影响最大的是反射镜镜体厚度,其次是面板厚度、筋板宽度、支撑孔径、外壁厚度与支撑孔壁厚度对面形影响较小,而面形变化量对轻量化孔内切圆直径和内壁厚度的变化不敏感[5]。因此,选择反射镜厚度、面板厚度及筋板宽度作为分析双拱型反射镜面形影响因素的重点。为便于分析,需要先初步设计一个反射镜。

　　2.1　反射镜材料及轻量化方式的选择

　　SiC材料比刚度高、热稳定性好,是一种优异的光学反射镜材料。本文选择SiC作为双拱型反射镜材料,其材料参数参见表1。

　　SiC材料大口径反射镜多为背部开口式结构。其轻量化孔的形状一般有三角形、扇形、正六边形等(出于定位因素的考虑,圆形镜片一般不选用四边形单元,圆孔虽然加工性最好,但轻量化率很低)。在镜体厚度、面板厚度、筋宽度、轻量化孔内切圆直径等参数相等情况下,就轻量化率而言,正六边形轻量化率最低,三角形其次,扇形孔最高;就结构刚度而言,三角形孔的基频最高、结构刚度最好,六边形刚度最差,扇形居中。综合比较,三角形孔综合条件较为理想,本文大口径双拱型SiC反射镜采用背部开三角形盲孔轻量化形式。

　　2.2　反射镜背部平行筋板间距设计

　　反射镜背部平行筋板间距由三角形盲孔的大小决定,盲孔大小的主要影响因素为网格效应。网格效应是因为在对轻量化反射镜前面板进行光学加工时,由于压力作用,轻量化孔位置的面板会产生弹性变形,从而导致去除量下降,最终在光学表面形成类似网格的效应。网格效应会影响系统的像质[6]。三角形轻量化孔内切圆直径D与平行筋板间距关系如图2所示。