大口径光学遥感器主反射镜轻量化方案设计

　　0 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，随着光学遥感器口径的不断增大，其重量随之增加，自重、热变形等问题将对主镜镜面的面形精度产生影响。为了解决这些问题，人们提出了各种解决方法，如研制新材料、改进支撑方式等，而采用主镜轻量化结构设计技术是最实际、最有效的方法[2]。

　　本文以口径为 Φ1 200 mm 主镜为研究对象，采用有限元分析作为研究手段，结合实际工艺情况，详细设计了两种大口径主镜轻量化结构形式。根据有限元分析结果，并结合实际工艺情况，择优选择了最终方案，并成功研制了主镜镜坯。

　　1 主镜材料的选择

　　大口径反射镜材料一般采用低膨胀玻璃、铍(Be)、SiC 陶瓷等，反射镜材料的比刚度和热稳定性是决定其性能的主要技术指标。碳化硅(SiC)材料具有密度低、比刚度高、热膨胀系数小、导热性能良好等诸多优势，是一种性能优异的反射镜材料。SiC 陶瓷因制备工艺不同可分为热压烧结 SiC(HP-SiC)、反应烧结 SiC(RB-SiC)、常压烧结 SiC(S-SiC)和化学气相沉积 SiC(CVD -SiC)[3-5]。根据工艺特点，在实际使用中，制备大口径反射镜主要采取反应烧结碳化硅(RB-SiC)和常压烧结碳化硅(S-SiC)工艺。

　　根据反应烧结碳化硅(RB-SiC)和常压烧结碳化硅(S-SiC)工艺的特点，反应烧结碳化硅(RB-SiC)工艺可以制作开放型和半封闭型结构形式，常压烧结碳化硅(S-SiC)工艺只能制作开放型结构形式。因此，需要根据具体的轻量化形式，考虑其工艺可实现性，从而最终确定碳化硅镜体的材料的成型形式。

　　2 主镜的轻量化结构形式及支撑方式确定

　　2.1 主镜的轻量化结构形式

　　根据反射镜轻量化孔是否封闭，可将反射镜分为开放型结构和半封闭型结构。与半封闭式结构相比，开放型结构相对简单，但等厚度情况下刚度较弱，轻量化程度较低。反射镜轻量化孔的形式主要有三角形、扇形(四边形)、六边形、圆形以及异性孔等形式。其中，圆形孔虽然工艺性最佳，但材料去除率最低，目前已很少采用;三角形孔轻量化结构的刚度最高，但材料去除率较低，温度特性稍差;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[6]。

　　Yoder[7]提出了进一步提高反射镜轻量化的较好方法，使反射镜第二表面(后表面)具有特定的轮廓曲线，包括平后表面、锥形后表面、前后同心面、球形后表面、单拱形、双拱形等轻量化形式。锥形后表面的轻量化形式轻量化率适中，工艺简单，加工性能良好，制作的镜坯具有较高的可靠性和稳定性，因此，采取锥形后表面的第二表面轻量化形式，并在锥形面分布加强筋。