某接触型空间反射镜的结构设计与分析

付亮亮+何欣+王忠善

摘要： 为检测空间小型凸非球面反射镜，设计了一种适合其检测的结构。由于需要透射式检测，材料选择有局限性，首先优选反射镜材料，然后优选反射镜支撑方案，并对反射镜定位原理进行详细分析。在设计此反射镜组件时特地添加了阻尼环节及柔性环节，以减小装配应力、热应力及动力学响应，并重点而透彻地分析了装配方法，且对该反射镜组件进行了模拟工程分析。分析结果满足指标要求，该方案设计合理可行。

关键词：

空间多光谱相机； 次镜； 周边支撑； 工程分析

中图分类号： V 1 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.005

文章编号： 1005-5630（2016）03-0216-05

Abstract： For a small convex spherical mirror，due to the requirement of transmission-type testing，material selection is limited. The mirror material is firstly selected，then mirror support scheme is optimized.The detailed mirror positioning principle is analyzed，when specially adding damping and flexible components to reduce the assembly stress，thermal stress and dynamic response，and the key assembly method is thoroughly analyzed.This mirror component is simulated by using engineering analysis.The analysis results completely meet the requirements of indicators and the design is reasonable.

Keywords： the space remote sensor； secondary mirror； peripheral support； finite analysis

引 言

多光谱成像技术在航空航天领域里通常被用做遥感平台，对地面进行探测，其中多光谱相机有着巨大的潜力和应用前景[1]。本文研究的是某空间多光谱相机的次镜，空间多光谱相机的光学系统中的次镜组件为一重要的光学元件，其结构设计的优劣与成像质量息息相关。一个优质反射镜支撑结构不但能够保证反射镜的支撑刚度，而且能够实现与反射镜镜体的热学匹配，从而使各种工况下反射镜的面形精度都达到指标要求。本文针对反射镜镜体及其支撑结构设计方案进行了较为系统全面的分析，结合实际工程科研项目，利用现代的设计方法（计算机辅助优化设计），且应用线性分析方法代替非线性分析方法，研究并优化出一种稳定、结构尺寸紧凑、质量轻、比刚度大的反射镜柔性结构支撑组件方案，选择适合于空间且符合实际要求应用的光学及结构材料，目的在于保证整个光学系统能够长期具有十分稳定的成像质量。

本文研究的次镜有效通光孔径为105 mm×90 mm的长方形小口径凸非球面反射镜，曲率半径为478.89 mm。要求面形精度小于1/50λ（λ=0.632 8 μm），反射镜组件质量小于2.2 kg，环境温度变化为±15 ℃。

1 结构设计

1.1 反射镜镜体及支撑材料的选取

反射镜镜体材料的选择主要考虑材料的光学可加工性能、材料的力学性能以及材料的稳定性、安全性及物理性能等重要因素[2]。需要选用比刚度大、导热率高而线膨胀系数小的材料。由于次镜为凸非球面反射镜，考虑到非球面加工及检测时需采用背部透射式检测方法，所以所选光学材料范围较小，常用的可以采用透射式检验方式检测的反射镜镜体材料性能指标见表1。

对比表中两种反射镜材料，熔石英明显具备优秀的比刚度、导热率及线膨胀系数指标，是空间相机反射镜组件理想的镜体材料。其材料的优点是比刚度较高、线膨胀系数小、均匀性好、便于光学加工且面形抛光效率高[3]，已经非常广泛地应用于空间多光谱相机的光学元件中。

解决反射镜组件适应温度环境变化的关键是镜体材料与支撑材料间的热匹配和热变形补偿能力，在选择与次镜镜体直接接触的支撑结构材料时，特地选择线膨胀系数与反射镜的线膨胀系数一致的适用于空间环境条件的材料[4]，则均匀的温度变化就不会引起反射镜面的畸变；与次镜镜体非直接接触的支撑结构材料则选用线膨胀系数较小，也适用于空间环境条件的高比刚度且稳定性高的材料。常用的反射镜支撑结构材料见表2。

对比表2数据，铟钢有与反射镜材料最接近的线膨胀系数，且比刚度较高，为了避免材料线膨胀系数不匹配对镜面面形精度的影响，与熔石英镜体直接接触的结构材料选用线膨胀系数经过特殊匹配的合金材料，即线膨胀系数为0.38（10-6/K）的定制铟钢材料，其他支撑结构材料则选用线膨胀系数相对较小，比刚度相对较高的钛合金材料。然而单单从材料的线膨胀系数匹配方面来消除由环境温度变化造成的镜体面形精度的下降是不够的，还要通过选用合适的支撑结构，来进一步减小外部环境因素等变化对反射镜镜体面形精度的影响。

1.2 支撑方式的选取

反射镜周边支撑方式较复杂，一般将反射镜放置在周围相对封闭的镜框之中，根据六自由度完全定位原理，在反射镜框的内腔形成了六个定位面，各定位面均要有很高的平面度。在封闭镜座中装入反射镜，各定位面均与反射镜体完全接触，在各定位面对应的另一面，反射镜的移动靠弹性的压片限制，采用压板式固定反射镜的工作面一端，并修研压板，以保证压板与反射镜结合面零间隙，如图2所示，中小口径的反射镜也可以采用此种支撑方式。反射镜组件与框架等的连接点应尽量远离反射镜工作面，以消除由反射镜镜框的装配应力引起的镜面变形，通过整体式镜框来支撑反射镜镜体，在反射镜组件与相机主框架连接处设置适当的应力释放的柔性环节，避免外部环境温度变化和系统装配等产生的应力对镜面面形的影响。为保证反射镜镜体可靠固定，提高反射镜组件的抗振性能，可以考虑在内部加入适当的阻尼环节。次镜采用熔石英材料且次镜镜面外凸，在非球面加工、检测时需透射测量，因此次镜镜背磨成高精度平面，且不能做轻量化设计。由于空间的限制，次镜的外形尺寸设计成105 mm×90 mm×20 mm。根据次镜的结构特点，采用周边支撑的方案。但当环境温度变化时容易存在热应力，因此，对此方案进行优化。