参数优化方法在轻质反射镜结构设计中的应用

　　1　引　言

　　随着现代光学技术的发展,各种样式的非球面反射镜在空间光学观测领域中得到了广泛应用,它们的结构设计工作也日益受到人们的关注。作为空间光学 观测仪器的关键部件之一,反射镜体结构设计的焦点集中于如何在保持高的面形精度的前提下尽可能地降低其质量,即镜体的轻量化设计。目前国内的研究主要针对 各种轻量化型式的对比和选择[1-3],而在选定了某种轻量化型式之后,反射镜体的具体结构参数的确定仍采用比较传统的根据经验选定尺寸并进行强度、刚度 等性能校核的模式,显然,这样的设计结果仍然有较大的优化空间。

　　计算能力的提高使得各种结构优化技术逐渐被应用于工业领域中,并产生了巨大的效益,而作为优化技术中最基本的参数优化技术,也已经十分成熟。本文结合某型空间光学遥感器主镜的实际特点,在镜体的轻量化结构设计中引入参数优化技术,以期得到更加合理的设计结果。

　　该光学遥感器主镜为一种小型圆形非球面反射镜,焦距1 600 mm,口径276 mm,镜体中心有直径为64 mm的通光孔,镜体材料采用熔石英。设计要求在自重作用下反射面法向变形RMS值不大于1/40λ,PV值不大于1/10λ(λ=0.632μm),镜体 质量不大于3 kg。为验证优化设计后镜体结构性能的改善,文中将预研阶段镜体的初始设计方案与本文设计结果相比较。

　　2　镜体的轻量化形式

　　目前通常采用两种途径对圆形反射镜体进行轻量化:一种是在反射镜体背部挖开口孔,这种方案工艺性好,既能通过机械加工的方法来实现,也可在镜体 浇注过程中一次成型;另一种方法是采用夹芯式结构,即镜体的前后面板和圆周均为实体,而在它们中间夹有一层蜂窝结构。相比于前一种方案,夹芯式结构在相同 的刚度和强度要求下能够做到更高的轻量化率,然而其要求的加工工艺比较复杂,多年前国内一些单位就已经开展了这方面的研究[4-5],虽然试制出了多种夹 芯式的反射镜,但在实际工程项目中应用很少。

　　从理论上讲,反射镜体的轻量化孔可以采用的截面形式是很多的,既包含三角形、矩形等基本几何形状,也可以是圆形或者其他闭合的高次曲线,甚至是 各种形状的组合。但镜体的结构优化设计不能是不惜代价地提高镜体的力学性能,还要考虑结构的加工工艺性,显然,过于复杂的轻量化孔结构将显著增加反射镜的 加工成本。

　　圆形反射镜常用的轻量化孔的形式主要有圆形、扇形、六角形和三角形。圆形孔虽然工艺性最佳,但材料去除率却最低,目前已很少采用;三角形孔轻量 化结构的刚度最高,但材料去除率也较低,且温度特性不好,在顶点处容易形成较严重的热结,因而大多用在热控精度较高且结构刚度要求很严格的系统中;六角形 孔和扇形孔的材料去除率较高,结构刚度和热稳定性也比较好,在实际工程设计中应用最为广泛。