空间稳像系统摆镜设计与仿真

　　0 引 言

　　对于大型空间天文望远镜，由于曝光时间长，天文观测过程中容易受到卫星平台振动等因素的影响，导致图像分辨能力降低。为解决诸如振动等因素影响分辨率降低问题， 产生了基于相关跟踪技术的稳像系统。摆镜单元是相关跟踪系统的核心部件，摆镜在光学系统中做二维摆动使光束受控的产生快速、小角度变化以补偿因卫星振动引起的图像抖动，起到稳像作用。

　　摆镜单元由摆镜镜体、 装卡结构和摆动平台 3部分组成， 摆镜单元的固有频率与摆镜镜体及装卡结构质量密切相关，所以对摆镜材料进行了选择，材料不同导致了摆镜轻量化工艺的不同， 摆镜设计过程中对上述问题进行了讨论。 作为稳像系统的核心部件，要求摆镜安装于平台后要保持较高面形精度，项目中要求摆镜面形均方根不大于 0.025 波长，而　　诸如螺钉预紧力、 动态激励等外载荷会对摆镜面形产生影响。探讨摆镜在螺钉预紧力、动态激励等外载荷作用下摆镜面形的变化规律， 对摆镜设计和摆镜组件装配均有积极的工程意义。

　　目前， 工程仿真技术在光机结构设计中发挥着重要作用， 仿真模型建立是否合理直接影响到仿真结果是否可信。 对于分析诸如零部件间接触关系为主要矛盾的仿真，则需要考虑接触等因素影响，且考虑接触因素的光机结构仿真已经被应用到光机仪器结构设计中[1-4]， 摆镜组件的仿真也考虑了零件间的接触关系。

　　外载荷作用下得到的仿真数据为摆镜镜面有限元节点位移，由于面形数据包含了外载荷作用引起的刚体位移，而刚体位移又可以通过装调等方式加以校正，因此从面形位移数据中消除刚体位移，才能得到表征面形变化的参数。 为消除摆镜在外载作用下的刚体位移，引入了光机集成仿真技术，在对摆镜进行有限元分析得到面形数据的基础上， 使用基于 Zernike多项式集成仿真接口程序处理摆镜面形数据，分离出了摆镜面形刚体位移项，消除了刚体位移。

　　1 空间稳像系统简介和摆镜设计

　　1.1 空间稳像系统简介

　　望远镜光束经过摆镜的反射进入分光镜， 部分进入主光路，部分进入相关跟踪器检测图像的抖动。将计算得到的位移信号经 PID 控制器调节， 然后经D/A 转换器驱动摆镜转动 ， 使输出的望远镜光束保持稳定不变，从而达到了稳定图像的目的，稳像系统结构如图 1 所示。

　　1.2 摆镜及其装卡结构设计

　　由于静止和摆动状态下对摆镜面形和固有频率均有要求，而固有频率与摆动部分的质量密切相关，需要对摆镜及其装卡结构进行轻量化设计。 轻量化时，对摆镜材料选择和轻量化结构进行了考虑。 设计过程中选择了熔石英玻璃和 SiC 材料， 熔石英材料摆镜采用背部圆形孔方式进行轻量化;SiC 摆镜轻量化选择了背部扇形孔方式。 摆镜组件零件间的连接方式为：摆镜通过专用胶粘接于装卡结构，装卡结构通过螺钉连接于摆镜平台。