温度和支撑方式对1.2mSiC主镜面形的影响分析

　　0　引言

　　主镜作为望远镜的核心部件,其综合性能的优劣直接影响望远镜的成像质量、使用寿命和可靠性等.而主镜材料是影响主镜性能的重要因素之一,特别是地基望远镜主镜的设计趋势是大口径、轻量化,同时要求主镜材料具有优异的机械性能和物理性能.所以,选择综合性能优异的主镜材料对地基大口径望远镜来说具有重要意义[1-4].

　　碳化硅材料由于具有比刚度大、导热性好、优异的光学性能和易于轻量化等优点,已经在高分辨力空间遥感器中得到应用,但口径一般较小,并且处于一个封闭的环境中,容易进行热控[5-8].近年来,随着制备SiC反射镜工艺的进步,国外已经能够制备轻量化的大口径SiC反射镜.例如已经由欧空局反射升空的Herschel全SiC红外太空望远镜系统[9],其主镜由l2个外径为3.5 m、内径约为120 mm的烧结SiC扇形体焊接而成,结构质量仅210 kg.

　　但是作为地基大口径望远镜的主镜材料,国内外报道较少.美国2.7 m望远镜SOFIA的主镜曾考虑采用由俄罗斯研制的SiC材料[10],后来由于人为的原因,该主镜没有研制成功.而且地基望远镜观测时是裸露在空气中的,望远镜从封闭在圆顶中到裸露在空气中,存在着温度的变化,这种温度的差异对主镜面形的影响如何直接决定了SiC主镜能否应用于地基大口径望远镜中.如果采用类似空间望远镜的热控系统,不可避免的对镜面视宁度和圆顶视宁度带来不利影响.

　　为了论证大口径SiC材料的主镜能否应用于地基大口径望远镜中,必须进行充分的分析.本文基于长春光机所自行研制的1.2 m SiC主镜,详细分析了温度和支撑方式对主镜面形的影响,论证了SiC主镜应用在地基大口径望远镜中的可行性,对支撑方式提出了合理化建议.

　　1　主镜参数和有限元模型

　　本文中分析的SiC主镜见文献[1],该SiC材料的主镜也是国内制造的最大口径的SiC主镜,其制造方法不同于Herschel的焊接工艺,而是采用反应烧结法制造.主镜的形状为平凹型,边缘厚度130mm,曲率半径3 600 mm,中心孔直径300 mm,面板厚度10 mm,筋厚6 mm,重量122.8 Kg,轻量化率66.25%,设计参量和设计过程见文献[1],SiC材料的物理性质如表1.

　　本文利用有限元软件Patran建立了主镜的有限元模型,模型采用壳单元和手工划分网格,为了提高分析准确度,采用比较大的网格密度,共划分四边形和三角形单元36 252个,图2为有限元模型.

　　2　稳态温度场对主镜面形的影响

　　稳态温度场指主镜处于一个恒定的温度场中,主镜已经达到热平衡状态,由于不存在温差,所以这种温度状态下对主镜面形的影响主要是主镜整体变形.为了模拟主镜在被动支撑和自由膨胀时的状态,约束工况如下:被动支撑时,背部十八点全部约束;自由膨胀时,约束主镜背部十八点在光轴方向(y向)的位移,对主镜x轴上的点约束z向位移,对主镜z轴上的点约束x向位移.需要说明的是,主镜必须关于x轴和z轴对称.