反射镜体轻化结构设计的对比研究

　　为了提高空间遥感光学仪器的分辨率,需采用较大口径的反射镜体,而反射镜体口径加大是光学仪器重量增加的主要因素,系统的惯量也随之增加,给整个系统工作带来不利影响,更重要的是镜体口径的加大,是镜面自重变形量增加的主要原因。

　　本文在专用程序段上对背部开口式和背部平板封闭式两种轻量化设计结构作了分析计算,得出结构参数变化对自重变形量的影响。

　　1　圆形镜体的最大自重变形量

　　在水平放置条件下,圆形镜体镜面在光轴方向的最大变形量为

其中,Cs为支承条件系数;γ为材料重度;h为镜体厚度;d为镜体直径;D为弯曲刚度。板的弯曲刚度为

　　不难看出,影响自重变形量的主要因素是镜体直径变化。

　　对于镜体材料一般是选择E大、γ小、热膨胀系数小、热稳定性好的材料,如熔石英、碳化硅、微晶玻璃等。

　　2　背部开口式与背部封闭式轻量化结构刚度对变形量的影响

　　封闭式结构刚度大于开口式,但就具体结构而论,应该按同样的轻化率,相同的去除孔形式等才可比较。本文在过去工作的基础上,筛选出六角形蜂窝状 去除孔作为减重方案,并取相同的隔板厚度。结几何参数:d为镜体直径;hF为镜面厚度;hF1为背封式镜面厚度;hF2为背部封闭板厚度;tC为去除孔隔 板厚度;hC为去除孔隔板高度;B为去除孔内接圆直径。在以下的计算中取hF1=hF2,每个蜂窝为一个轻量化单元,轻量化结构的弯曲刚度为[1]

　　其中,η=[(2B+tC)tC]/(B+tC)2为等效单元实蕊系数。背部开口式轻量化重量由式

　　以上各式的hF、hF1及hC分别对应背部开口式和背部封闭式结构的镜面厚度与隔板高度。对背部封闭式结构取镜面与背部板等厚。

　　计算实例　为说明结构的轻量化形式对自重变形量的影响,取镜体直径为d=620mm,镜体厚度h=54.8mm,采用六角形蜂窝状去除 孔,B=40mm,隔板厚度tC=3mm,背部开口式镜面厚度hF=20mm,背部封闭式镜面厚度hF1=10mm,背面板厚度也取为10mm,这样除镜 面厚度分配不同外,其它几何参数均相同,轻量化结构的重量也相同。镜体材料为碳化硅,ρ=3050kg/m3,E=400×109Pa,轻量化重量W均为 22.7kg,轻量化率ζ=1-W/W0≈55%,(W0为实镜体重量)。支承条件相同,采用背部六点优化支承,支承直径为0.681d[2],支承系数 为Cs=0.00345。按(1.5)式及(1.3)式算得等效弯曲刚度和最大自重变形量:背部开口式D=1.03×106Nm;背部封闭式 D=4.30×106Nm;背部开口式δ=2.88×10-8m;背部封闭式δ=1.10×10-8m。由此可见在同样的轻量化率条件下,背部封闭式轻量 化结构的自重变形量要小得多(约为开口式的38%)。