轻型反射镜镜体结构参数的分析

　　1　引　言

　　随着科学技术的不断发展,人们需要获得更加详细的光学图像信息,这样,必然需要制造更大型的光学遥感相机。对于空间光学遥感而言,相机的增大无疑会成倍地增加其质量以及系统的复杂性,从而会导致巨额的发射费用。目前空间系统的发射费用约为2~3万美元/kg,光学系统减轻100 kg的质量,有效载荷就能够减少250~300 kg[1],其结果不但节省了上千万美元的发射费用,而且使大型空间遥感相机结构更加紧凑。所以,减轻空间遥感相机的质量,或者说减轻相机中主要器件—反射镜的质量,已经成为目前研制大型空间遥感相机的一项重要工作。本文针对反射镜轻型镜体的主要结构参数进行了分析,以助于轻型反射镜镜体的设计与制造。

　　2　目前空间遥感相机中使用的几种主要镜体材料

　　目前空间遥感相机中使用的镜体材料主要有ULE、Zerodur、铍(Be)和碳化硅(SiC),其物理性质如表1所示。

　　与玻璃材料和金属铍相比,碳化硅材料具有明显的综合优势,密度低、比刚度高、热膨胀系数小、导热性能良好、可得到较好的抛光表面,而且无毒、不需特殊设备,如图1所示。与其他材料相比,SiC是一种非常理想的空间遥感相机反射镜基体材料。

　　3　反射镜的形变

　　随着空间遥感相机口径的不断增大,作为其核心部件的反射镜的研制技术越显重要。反射镜口径增大带来的主要技术问题有:反射镜因自重而引起的镜面变形;反射镜因环境温度变化及镜体温度梯度的出现而产生的镜面热膨胀变形等。

　　3.1　镜体的自重变形

　　当镜体水平放置时,其自重引起的镜面中心最大变形量为[2]:

　　式中,q为镜面单位面积的质量,a为反射镜半径,v为反射镜材料泊松比,D为抗弯强度。对于弹性模量为E、厚度为t的实心镜体:

　　式中系数C是与镜体材料有关的常数。从式(6)可以看出,反射镜口径对其自重变形影响非常大,口径变大,镜面变形成四次方增长。另外当增加镜体尺寸时,若要使镜子中心的最大变形量不变,则其厚度t成平方的变化,那么镜体质量就会大幅度增加,而且整个相机的紧凑性也会受到影响,而且镜体的支撑结构等其他配套设施的质量也会相应增加,最终导致巨额的发射费用,因此有必要对镜体实施轻量化措施。

　　3.2　镜体的热膨胀变形

　　镜体在调试或工作过程中,由于周围环境的影响,会使镜面上存在温度梯度,从而使镜面产生热膨胀变形。要解决这个问题,可以选择导热系数大、热膨胀系数小的材料使其温度梯度能较快的消失,或者是热膨胀变形较小。轻量化后的反射镜镜体,镜面厚度小,热容量小,当温度变化时,镜体的温度很快达到一致,可以更有效地解决反射镜的热变形问题。