CAE在超薄反射镜多点调节中的应用

　　1　引　言

　　现代空间技术对光学系统的轻量化提出了越来越高的要求。探索和解决这一问题将为整个航天事业的发展带来技术的大发展和可观的经济效益。最初的轻量化方法是通过在反射镜背部或侧面打孔以减轻重量,之后又发明了融合封接以及采用轻质材料制造反射镜等方法,有效的实现了光学元件的轻量化。但随着自适应光学技术的发展,未来的空间光学系统将向着更轻的、面形可以进行自适应调节的方向发展。这一技术在哈勃空间望远镜中得到了初步的应用。在哈勃空间望远镜主镜的背面装有6个促动器,可以由促动器调节,使光线到达焦平面。

　　超薄反射镜虽然具有重量轻的特点,但是受各种力学、热力学等环境因素的影响后,其面形易发生变化。利用它极易受外力影响的特点对它进行调节,从而达到面形精度要求,使缺点化为优点。在薄反射镜背部或侧部置入许多促动器,通过对星点像的检测,实时调节促动器,使面形发生变化,以改善面形精度。多点调节是通过改变薄膜反射镜所受作用力的大小、方向以及作用点位置的微调来达到改善面形的目的。当反射镜在某点所受的外力条件改变时,它必然使镜面面形发生微小变化。当几点应力改变各导致应变耦合在一起时,将使局部面形发生改变。

　　由于这个面形的改变对面形精度改变的作用是双向的,所以要具体分析作用力的特点,以满足调节的需要。多点调节是通过改变布置在支撑点处的促动器的作用条件来实现的。因为促动器的可移动步长较小,因此确定促动器初步位置就显得极为重要。首先要对反射镜进行力学分析,然后找到最合理的支撑位置。

　　综合考虑每个力作用的耦合问题的最好的方法是有限元法。再结合光学原理,得到各光学量,最终进行光学性能评价。

　　2　超薄反射镜的精度要求和支撑方案的确定

　　制造一个模型镜,它是孔径为400 mm,厚为3 mm,曲率半径为2 300 mm的球面反射镜,厚径比达到1∶130。材料采用K9玻璃,这种材料参数如表1所示。

　　因为反射镜有加工态和工作态,所以需要对它进行水平态和竖直态的力学分析。在空间环境因素下,反射镜的面形变化将导致光学元件的波前畸变或破坏光学成像质量及光学性能。

　　对于空间小像差系统来说,使用结构变形引起波面误差的方法来评价面形质量。对镜面上变形后的各点的坐标进行处理,得到相应的波前误差参数(PV和RMS值)。根据光学系统提出的要求,其面形精度要求为:[PV]=λ/10,[RMS]=λ/50,其中λ=632·8 nm。基于以上较高的波差要求,支撑方案应尽量满足光学设计要求,以利于促动器调节。根据光学系统及反射镜自身要求,支撑方案就必须具有特殊性和合理性。