中心轴支撑大口径反射镜面形装调控制方法

　　0　引言

　　随着航天光学遥感器的分辨率要求的不断提高，其光学系统中主反射镜的口径也相应增大，主反射镜是整个光学系统中发挥最重要作用的光学元件，如何保持主反射镜的优良面型，是航天光学遥感器制造过程中面临的首要工程问题.为此，国内外科技人员除采用中心轴支撑方式外，还分别通过优化支撑结构设计、实施主动光学控制、采用先进光学材料及先进制造技术等方法展开过多方面研究[1-7].但很多经典的大口径轴对称的主反射镜采用中心轴支撑方式，在航天光学遥感器共轴光学系统中得到了广泛的应用.

　　航天光学遥感器在轨运行时处于微重力状态，其重力加速度量值为10-3～10-5g[8]，此时重力及相应结构支撑力对大口径反射镜面形的影响可以忽略不计.因此，在地面重力场环境中装配和检测阶段，如何保持主反射镜的优良面型使其变形控制在微小范围内的问题，是航天光学遥感器制造工程中的关键技术问题之一.

　　本文对520mm口径非球面主反射镜在中心轴支撑方式下的面型变化原理进行了分析，提出了在地面重力场环境中装配阶段通过微变形装调手段控制其变化的方法，从而保持了在重力场中主反射镜在光学加工阶段所形成的高精度的反射曲面面型，达到了RMS值1/50λ(λ=632.8nm)的面型精度.

　　1　主反射镜的力学模型

　　试验中使用的大口径主反射镜采用的材料为德国肖特公司出产的Zerodur微晶玻璃，其机械性能为：密度2.53g/cm3，杨氏模量90.3GPa，泊凇比0.243.主镜口径520mm，中心圆孔直径118mm，背部开有经优化设计的减重孔，径厚比为5.77，其外形如图1所示.

　　2　主反射镜面型变化机理分析

　　在地面重力场环境中进行装配时，大口径主反射镜镜体所受主要外力为重力和支撑机构的反向支撑力.对于精密加工制造后形成的大口径圆对称光学零件，在呈工位姿态1(图2所示)安装时，重力对镜体的作用可以认为是均匀的，不会造成镜体受力不对称从而引起镜面像散变形;而实际工程中受检测方法限制，经常用到的主反射镜装配检测姿态为工位姿态2(图2所示)，此时镜体所受重力不再对称，镜体受到的与重力相平衡的支撑力则与支撑机构和镜体的接触情况密切相关，且与制造水平相关，是影响大镜面变形量的主要因素。

　　图3中，Q为主反射镜自重，σ为主反射镜受到中心轴各接触点的支撑应力，l为实际支撑面在光轴方向的延伸长度，φ为主反射镜孔腔沿圆周方向的接触角度，由于主反射镜镜体为非均匀截面，故各接触点应力σ是φ和l的二元函数，可表达为σ(φ，l) .如果不考虑实际轴孔接触状况，认为轴孔充分接触，则以上各参量应该满足理想状况下的静力学方程为：