某空间遥感器调焦反射镜的设计与分析

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本文研究的反射镜是某空间遥感器的调焦反射镜，有效通光孔径为 498 rlnl165 mln，镜面为平面，光学设计要求的面形精度优于 1/1 02 P 1/502 RMS(0.632 8 m)，组件重量小于 7 kg，在轨工作温度水平变化范围为(20土5)℃，并且需要满足地面力学环境试验的要求。

1 调焦反射镜组件支撑方案确定反射镜的支撑方式可分为中心支撑、周边支撑、背部支撑、侧面支撑、复合定位支撑等。本文研究的调焦反射镜由于受安装空间限制，只能选择中心支撑方式，通过在反射镜中心连接-中心定位环，并连接至整体镜框来支撑反射镜，在与反射镜连接处设置应力释放的柔性环节，避免系统装调和外部环境温度变化产生的应力对镜面面形的影响。由于反射镜长宽比较大，适合采用周边支撑或符合定位支撑，采用中心收稿日期：2012-06-10；收到修改稿日期：2012-07-16作者简介：付亮亮(1980-)，女(汉族)，吉林长春人。助理研究员，硕士，主要研究工作是空间光学遥感技术。

http：ll第 40卷第 1期 付亮亮，等 ：某空间遥感器调焦反射镜的设计与分析 61支撑无疑给设计加大了很大难度，这就需要在反射镜轻量化及中心环的设计上进行优化，才能使设计结果满足要求，初步确定调焦反射镜组件由调焦反射镜、中心支撑环、三角板三部分组成。

1.1调焦反射镜材料选择空间光学反射镜材料的选用在原则上应满足：1)可以抛光，并能镀高反射率膜层；2)各向同性，尺寸稳定；3)抗辐照，符合空间环境下的使用要求；4)比刚度大、热畸变小；5)可以制成轻质镜坯结构；6)能与反射镜支撑结构材料线膨胀系数具有很好的匹配性能 J。

表 1 空间相机常用光学材料表Table 1 M aterial of space camera从表 1中可以看出，SiC和Be在强度、刚度、热稳定性等多项指标上来看，具备非常大的优势，但金属 Be含有剧毒，两者对比，SiC材料则更具有明显的综合优势，其具有密度低、比刚度高、热畸变小，导热性能良好、可得到较好的抛光表面等优点∩以看出，SiC是-种非常理想的空间遥感相机反射镜基体材料↑几年来，SiC在反射镜研制中的工艺日益成熟，成型素坯的尺寸完全可以满足各种口径光学反射镜的要求，SiC的镜面改性及抛光技术已经在很多型号任务中得到验证，所以选择 SiC材料作为调焦反射镜的材料。

1.2调焦反射镜材料选择调焦反射镜轻量化孔结构形式则可以选择三角形、正六边形、四边形或圆形、扇形。其中，六边形轻量化孔的筋的连续分布角度将导致镜体刚度有所下降；四边形轻量化孔的稳定性不好，三角形轻量化孔的综合条件较为合理，具有较好的各向同性和稳定性，而圆形轻量化孔只不过是六边形轻量化孔的简化，同时与六边形孔相比，具有-定的质量分布不均匀性 ，且具有-定的计算误差，扇形轻量化孔-般应用于带有中心孔的圆形反射镜轻量化，轻量化率也较高，调焦反射镜镜带有中 OZfL，综合比较以上几种轻量化形式的优劣及镜体实际情况，可以选扇形轻量化孔作为镜体的轻量化形式。

网格效应”是指在光学加工时机械压力作用下，轻量化孔的位置会产生弹性变形，从而导致材料的去除量下降，最终影响光学表面的精度。研究表明，网格效应”与轻量化孔的形式、材料的强度、抛光压力等因素密切相关，Vukobratovich曾给出了如下经验公式：(1)式中：‰ 为最大网格变形量；1，为材料的泊松比；P为抛光压力； 为轻量化孔的内接圆直径；tf为反射镜的前表面厚度，即镜面厚度； 为网格效应常数，与轻量化孔的形式有关，其中三角形孔为 0.001 51，http：//62 光电工程正方形孔为 0.001 26，六边形孔为 0.001 11 j。

于是，根据经验式(1)可以得出，当其他条件相同时，三角形孔的 网格效应”要低于正方形和六边形形式，综合考虑轻量化率、网格稳定性、加工网格效应及采用的中心支撑形式，此调焦反射镜选择三角形轻量化孔与扇形轻量化孔相结合的形式。

反射镜前表面厚度，即镜面厚度，通常取值为 3～8 nlTI，这跟反射镜基体材料的制备工艺和机械加工工艺有关。镜面厚度的选择既要满足质量约束，同时还必须保证足够的刚度，保证反射镜光学表面的成像质量。镜面太厚会增加反射镜的质量，降低轻量化率；镜面太薄则容易在机械加工过程中出现 网格效应”，最终影响光学系统的成像质量。

调焦反射镜前表面厚度与最大自重变形量的关系如图 1所示，调焦反射镜镜面厚度与自重变形和镜面面形精度(RMS)的关系曲线如图2所示。分析结果表明，调焦反射镜镜面厚度取 5 mln时，可以同时满足质量和刚度要求。

根据结构工艺要求和以往设计经验，综合考虑镜体整体的刚度，初步选定筋厚 4 InlTl，并由分析结果验证方案的可行性，调焦反射镜轻量化形式如图3所示。

图1 调焦反射镜前表面厚度对最大自重变形量的影响Fig.1 The former surfaces thickness ofthe focussinfection to the most deadweight distortion图2 调焦反射镜前表面厚度对镜面面形 RMS值的影响Fig.2 The former surfaces thickness ofthe focussinfection to the surfaces figure precision图3 调焦反射镜轻量化形式Fig.3 Th efocusslightform1.3中心支撑环设计中心支撑环选用柔性支撑方式，柔性支撑单元以牺牲结构的刚度为代价，通过柔性支撑产生较大的变形达到卸载和吸收应变能的目的。在反射镜支撑结构中，合理的布置柔性单元可以避免应力通过支撑结构传递到反射镜上，从而保证反射镜光学表面具有良好的成像特性pJ。

经过反复优化，最终设计出-种符合设计原理及实际应用的中心支撑环结构，此种中心支撑环中的柔性支撑片位于上下两个圆环之间，对两者起到支撑作用；与反射镜粘接的锯齿圆环结构要保证是与反射镜中心孔粘接后的反射镜的刚度，尽量减小反射镜因刚度削弱产生的镜面变形，又要尽量避免粘接应力等传http：//www。gdgc.ac。ca5 O 5 O 5 4 4 3 3 2 第4O卷第 1期 付亮亮，等：某空间遥感器调焦反射镜的设计与分析 653 结 论通过有限元分析计算可知，调焦反射镜的组件质量满足设计指标要求，且在自重变形和(20士5)℃均匀温度变化的复合工况下，各反射镜面形全口径均达到 RMS值优于，v5o(2632.8 rim)，转角及刚性位移均满足光学设计提出的要求。

而且经过模态分析，确定了相机各组件以及整机的前三阶谐振频率。数据表明相机具有足够的动态刚度，可以通过地面力学试验条件的检验[61。

综上所述，调焦反射镜具有足够的强度和动、静态结构刚度以及热适应性能，各项设计均能满足相机总体的指标要求和光学系统的设计要求。