大口径光学遥感器主反射镜支撑设计

　　1 引言

　　随着遥感技术的发展， 光学遥感器的地面覆盖面积越来越大， 地面像元分辨率越来越高。 这些都需要光学遥感器具有长焦距、 大视场和大的通光口径[1]。 然而， 随着光学遥感器主反射镜口径的不断增大， 其重量随之增加， 自重、 热变形、 环境等问题将对主镜镜面的面形精度产生影响[2]。 大口径主反射镜作为光学遥感器的重要部件， 它的面形精度直接影响成像质量的好坏， 其支撑结构设计一直是研制光学遥感器的关键技术。 一种好的支撑结构可以有效地改善光学元件的面形[3]， 因此， 需要设计合理的支撑结构以满足大口径主反射镜的面形要求。

　　针对主反射镜的具体结构， 可以采用背部支撑、中心支撑、 侧面支撑和组合支撑等方式[4]。 针对不同口径的反射镜， 合理地选用支撑形式将会大大改善其面形。 支撑点位置是支撑结构中的重要组成部分，它的分布直接影响面形精度。 本文对某大口径光学遥感器主反射镜的支撑结构进行了研究， 根据设计要求和理论计算方法确定了支撑点数量及分布位置，通过有限元方法分析和优化了支撑点的分布位置，结合大口径反射镜的特点加入侧面辅助支撑， 得到了理想的面形精度。

　　2 主反射镜背部支撑点数量及分布位置的初步确定

　　支撑结构的合理性包括支撑结构本身的合理性，以及对于反射镜支撑点个数和最佳分布位置的确定。

　　2.1 背部支撑点个数的确定

　　为克服重力变形等影响， 一般希望支撑点的数量越多越好。 然而， 支撑点数量过多又会导致一系列问题： 如质量上升、 过定位、 热变形等。 因此，合理选择支撑点的数量对于反射镜结构的最初设计尤为重要[5]。

　　Hall 研究了圆盘形反射镜重力变形与最少支撑点数量的关系， 并给出了如下经验公式：

　　Yoder 证明了该公式对于 1 m 口径 100 mm 厚至2.6 m 口径 300 mm 厚的反射镜均适用。对于某光学遥感器的大口径 SiC 主反射镜， 根据此经验公式及初步确定的镜厚， 其最少支撑点数量 N 为 8， 考虑到结构的均匀性及加工的可行性， 实际设计及分析采用 9 个支撑点。直接使用 9 个支撑点的支撑结构， 将会出现过定位问题， 不仅难以装调， 也会给热稳定性带来影响。 因此， 在支撑结构设计过程中， 采用了 “九点变三点” 的设计方法， 即将 9 个支撑点分成 3 组， 每3 个支撑点与一个三角形托架相连， 三角形托架与基　　板之间通过柔性环节连接在一起， 此柔性环节能够有微小的变形量， 同时具有一定的刚度， 从而实现了 “九点变三点” 支撑结构。 这种支撑方式是在三点支撑的基础上， 在每一个静定的支撑点上， 通过一层三角形托架， 把支承点数扩大为 9 个， 再作用于反射镜上。 由于三角形托架本身是静定的， 因此作用于反射镜支撑力的大小并不彼此独立， 而是服从静力平衡规律。 因此， 对支撑力来讲， 它是一个静定系统， 但对反射镜弹性变形来讲它是超静定的，可以很好地改善反射镜的重力变形。 支撑结果如图1 所示。