1 引 言
随着空间光学的发展,对地面分辨率要求越来越高,光学系统的主反射镜口径将越来越大,而主反射镜又是光学系统关键部件之一,其结构形式、镜体质量、安装方式、环境温度等都将直接影响整个系统的成像质量。为此大口径反射镜必须采用轻量化结构设计。探索和开展新的加工工艺,尤其对航天遥感仪器的轻量化有着重要的意义。本文就参加某项目对主反射镜结构轻量化设计的其中一种平背型蜂窝夹芯式结构的设计研究工作进行了讨论。
反射镜主要技术要求:
光学要求:有效通光口径为φ500 mm,面形误差≤λ/10
轻量化系数:≥50%
热环境温度:20°±4°
2 轻量化反射镜的结构
近年来,由于新工艺新技术的应用,出现了较多种形状的镜子结构。对于不同材料及不同用途的反射镜来说,其轻量化的结构形式也是多种多样的。目前我国用玻璃做镜坯的轻量化镜子的结构通常有开口式和闭口式两种结构形式。开口式结构可使重量减轻50%,用钻削、铸造成型或用超声波方法加工比较容易,但受力后镜面变形较同样厚度的实芯镜要大些。夹芯式结构的重量较开口式的要轻,重量可减轻60%以上,但加工难度大,成本高,受力后镜面的变形量与同样厚度的实芯镜相比要小,具有较大的刚度。本文主反射镜镜体结构采用了平背型蜂窝夹芯式结构设计。美国早几年已成功的应用这项技术。我国已经开展了这方面的研制工作,例如熔石英轻型球面反射镜等。平背型蜂窝夹芯式镜体结构如图1所示。前块面板为一等弯月形,其曲率半径为1996 mm,厚度为10 mm;底板为平面板,厚度为6 mm;中间为夹芯蜂窝式结构;轻量化单元做成六边形蜂窝状,六边形边长为31·5 mm,壁厚为3 mm,如图2所示。前面板、底面板、中间夹蜂窝状芯蜂窝式为熔石英材料。反射镜原重量为36 kg,采用这种轻量化结构后重量约为13 kg。这种镜体结构减少了反射镜固定时面形的变化,反射镜前端面的固定可分别压在反射镜的装卡环带上。
3 自重对反射镜变型的影响
有限元模型重力对镜面变形的影响不仅是一个力学问题,而且也是一个技术问题即设计和工艺的问题。重力变形与反射镜的材料、制作工艺、结构形状和支承方式密切相关。根据反射镜的熔石英材料、制作工艺、平背型蜂窝夹芯结构,应用有限元Al-gor程序,建立了主反射镜有限元模型(见图3)。用有限元法进行计算分析,在满足设计要求的前提下进行优化设计,选取最佳支承位置。主要分析了主反射镜在自重条件下,当镜面光轴处于水平位置和垂直位置时,不同支承情况下镜面面形的变化,以此作为主反射镜结构设计和支承方法的设计依据和评价标准。
在有限元分析计算中,经多次反复计算优化。光轴处于水平位置即主反射镜垂直放置的情况如图4所示。模型中Y轴处于铅垂位置,改变支承点与Y轴的夹角以及支承块的位置和大小,计算镜面在Z轴方向的位移,分析了8种工况,结果见表1。
光轴处于垂直位置,即主反射镜水平放置的情况如图4所示。改变镜体底部支承块的位置和大小,计算镜面面形的变化。分析给出了13种支承工况,结果见表2。
4 结果分析
计算结果表明,对于光轴处于水平位置的情况来说,镜面面形均比较稳定,对主反射镜的工作状态是有利的,只是外环靠近支承点的位置面形稍差,但范围很小,因而可以忽略不计,工况8的支承情况最好。对于光轴处于垂直位置的情况来说,工况2的支承情况最好。以上的设计结果为反射镜的支承方式提供了必要的理论依据,两种放置情况的计算分析在反射镜的实际工作固定方式以及反射镜的加工、检测中都得到了应用。反射镜在工作方式上是垂直放置的,可选择前述的变形量最小的6点支承方式作为镜框的背部辅助支承,支承环带内径为φ315 mm,环带外经为φ378 mm,选择42°24′夹角三点支承作为镜框侧面支承。反射镜的合理支承与反射镜的结构以及重力变形密切相关,这里简略了该反射镜支承方式的讨论。以上计算结果在应用中取得了较好的效果。
参考文献:
[1]杨秉新·航天遥感仪器的反射镜轻量化的研究[J]·中国空间科学技术, 1993,(1):60—64·
[2]裴云天·用于空间光学仪器的镜子的轻量化研究[J]·中国空间科学技术, 1991,(6):11—16·
[3]吴清文,等·空间光学遥感器主镜背部形状的选择[J]·空间科学报, 1997,(4):173—177·
作者简介:余建军(1955-),女,陕西省人,中国科学院西安光学精密机械研究所高级工程师,主要从事光学仪器结构设计的研究。
