空间反射镜结构轻量化设计

　　0 引言

　　随着空间光学遥感器地面分辨率的不断提高, 导致其视场角、焦距、主镜口径不断增大, 对其结构轻量化和稳定性要求也变得越来越苛刻, 使光学系统在设计、加工制造、总装调试和检测方面的难度越来越大。同时, 口径的增大也使反射镜受重力和温度的影响更加突出, 因此, 针对大口径光学遥感器地面和在轨工作条件的差异, 设计出合理的轻量化主镜及其支撑结构, 尽量减少主镜自重和温度变化对镜面变形的影响, 是实现光学遥感器研制成功的关键技术之一。

　　主镜作为反射式光学系统的关键部件, 随着其口径的增大, 必须对其进行轻量化设计, 以减轻自重变形的影响。主镜在轻量化后, 随着轻量化率的增加,虽然比刚度在提高, 但其结构绝对刚度却在下降, 因此镜面对支撑应力的敏感度也在迅速增大。目前, 反射镜轻量化实现途径[1- 2]一是选用新型性能优良的材料和工艺[3]; 二是选择新型的超薄反射镜技术[4]; 三是选择有效的轻量化结构并确定最优的结构参数[5]。此文就是在充分考虑反射镜使用环境的复杂性和恶劣性的基础之上, 设计最优的反射镜轻量化结构, 以保证光学系统的像质满足设计和使用要求。

　　1 反射镜结构及其轻量化

　　1.1 反射镜结构

　　反射镜结构按其形状可以分为平背形、单拱形、双拱形、双凹形[6], 如图1 所示。

　　平背形反射镜结构简单, 刚度好, 加工、装调方便,早期的空间光学系统主反射镜多用此种结构。单、双拱形反射镜也称作“蝶形镜”, 其背部形状随主镜结构的差异而有所不同, 这种主镜结构建立在实心圆盘型主镜的基础上, 可以看作是平背形结构的改进, 是反射镜的一种简单的轻量化, 质量分布较平背形结构更加合理。当反射镜直径较大时, 可设计成径厚比较大的形式, 其结构强度与口径相似, 但径厚比较小的平背形反射镜结构强度相差不多。双凹形主镜结构对称, 其应用较广泛。根据反射镜轻量化孔是否封闭, 可将反射镜分为开放型和封闭型结构, 如图2 所示。

　　在反射镜背部钻(或者是铸造)孔减重, 其支撑点一般安排在肋板相交处; (b)是封闭型结构, 反射镜分为镜面、中间蜂窝夹层结构和背板3 个部分, 也称作“三明治”结构。与封闭型结构相比, 开放型结构相对简单, 加工容易, 但封闭型结构能达到更大的轻量化比。

　　1.2 反射镜的轻量化

　　目前, 国内外镜体轻量化技术研究主要有3 种途径: 浇铸成型法、高温熔接法或熔接物封接法和机械钻削减重法。3 种方法各有优势。前两种方法加工出来的结构刚度比较大, 质量轻, 轻量化率达到70%以上, 可以保证反射镜较高的面形精度。国外一些大口径反射镜的轻量化大部分采用这两种方法。由于国内技术水平有限, 熔铸法和焊解法技术还不成熟, 一般采用机械加工的方法进行反射镜结构的轻量化。机械钻削法是较早使用的反射镜轻量化方法, 是通过机械钻削, 将反射镜上不参与光学系统成像部分的材料去除, 以实现反射镜的轻量化。目前常用方法有铣钻、超声钻等, 采用计算机控制的铣钻法可以得到加工效率更高、轻量化程度更高、精度更好的反射镜。