长条形空间反射镜及其支撑结构设计

　　1　引　言

　　离轴三反消像散非球面(TMA)光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等优点，已成为国际上长焦距大视场空间相机光学系统发展的一种新趋势，但其光学结构的非对称性，也给研制过程中的结构设计、光学元件加工、系统装调等工作带来相当大的难度。采用此种光学系统的空间光学遥感器的研制是国际上公认的难题，特别是长焦距、大口径的离轴三反空间光学遥感器的研制则具有更大的技术挑战性和风险性。大口径长条形空间反射镜是离轴三反光学系统中的核心光学元件，其自身性能的优劣直接关乎整个遥感器的成像质量，又由于反射镜必须经受严酷的发射运载动力学环境以及空间微重力环境和空间热环境的考验，所以，大口径镜体结构设计及其支撑结构设计历来是空间光学遥感器光机结构研制的技术难点。

　　空间反射镜在地面进行加工、检测和装调，而其工作在空间微重力环境期间有一个重力释放的过程，该过程对空间反射镜在地面和空间应用环境中的高质量成像有影响，因此要求反射镜具有足够高的静态刚度，也就是重力作用下的面形精度和位置精度应满足光学设计指标。同时，空间反射镜在轨工作阶段所经历的是空间热环境，这就要求空间反射镜具有足够高的热尺寸稳定性。另外，空间反射镜还必须能够经受发射运载阶段严酷的动力学考验，保证支撑结构不产生塑性变形和破坏，这又要求反射镜系统具有足够高的动态刚度和强度。然而高刚度和热尺寸稳定性通常是矛盾的，成功的反射镜系统结构设计就是需要在这对矛盾中寻求折衷，使其各项性能指标均能满足要求。

　　国际上，自20世纪90年代以来共有10余种离轴TMA空间遥感器面世，但除QICKBIRD-2主镜口径达到600mm，MTI达到360mm外，其余的反射镜口径均为123～218mm小口径[1];而国内未见有口径大于600mm的上天应用的长条形空间反射镜的相关报道。中科院长春光学精密机械与物理研究所的鲍赫[2]和王忠素[3]等人分别对口径为480 mm×230 mm和260 mm×150mm的长条形空间反射镜及其支撑结构进行了研究，但均不属于大口径长条形空间反射镜。本文针对某口径为660mm×300mm的离轴非球面光学系统的长条形反射镜进行了研究，并对其提出了柔性支撑结构方案。利用有限元分析技术对反射镜组件进行了工程分析，并根据分析结果进行了结构优化，得到的结果满足设计指标要求。

　　2　反射镜组件结构设计

　　2.1　反射镜轻量化设计

　　2.1.1　形状选择

　　反射镜的形状通常是针对其反射面(工作表面)和镜背形状来区别的。从镜背形状来分，常用的形状有双凹形、平背形、单拱形、双拱形等，不同的背部形状对应不同的最优支撑结构类型。从反射面轮廓来分，分为圆形和特殊形状;圆形反射镜主要用于同轴式光学系统中，反射镜离轴量较小时也有应用;特殊形状的反射镜以长圆形或长方形居多，多用于离轴光学系统中。本文论述的反射镜口径为660mm×300mm，且离轴量较大，故采用平背长条形，并在镜体长度方向边缘背部进行了倒角处理。由此，一方面有利于保证反射镜在重力作用下的面形精度，另一方面也减轻了重量，有利于提高系统的动态特性。