3m级大口径空间光学主反射镜的轻量化结构优化

郎明 胡瑞 张媛媛* 陈刚荣 陈小安 胡桂涛

3m级大口径空间光学主反射镜的轻量化结构优化

郎明1,2胡瑞1张媛媛1*陈刚荣1,2陈小安1胡桂涛1

（1 中国科学院光电技术研究所，成都 610209）（2 中国科学院大学，北京 100049）

增大主反射镜的口径是提高空间反射式光学系统分辨率的最直接手段。随着口径的不断增大，传统的蜂窝结构很难满足反射镜的高轻量化和高刚度的要求，需要研究新的结构方案来对其进行优化设计。文章针对空间相机大口径主反射镜的应用需求，在传统蜂窝夹层反射镜结构的基础上，结合反射镜应力状态分析，提出了一种新型低面密度大口径反射镜轻量化方案——叠层蜂窝夹层反射镜。同时，以3m级大口径反射镜为例，进行了详细的结构参数优化，分析了卸载支撑状态的面形变化，并对反射镜的过载强度和温度面形稳定性进行了校核，验证了叠层蜂窝大口径反射镜轻量化结构方案的合理性。

蜂窝结构 轻量化结构优化 3m级大口径 空间反射镜 空间相机

0 引言

反射镜作为空间反射式光学系统的关键元件，它的口径大小决定着相机的分辨率的高低。增大反射镜的口径是提高相机的分辨率的有效途径[1-4]。然而随着口径的增大，镜体质量也将以3次方的比例增加，反射镜引起的镜面变形也将增大[3-6]。文献[7]论证了由反射镜直径与温度变化引起的热变形，会随着反射镜口径的增加以2次方比例增大。文献[8-10]认为反射镜质量每增加100kg，运载火箭的有效载荷就要增加300kg。所以，结构的轻量化设计是大口径反射镜研制过程当中不可或缺的一部分，它能提升光学系统的整体性能[3-4,11-12]，也能大幅降低它的发射成本。

国内外学者通常基于传统轻量化方案从材料和结构两个方面开展大口径反射镜的轻量化设计研 究[13-18]。目前，常用在空间大口径反射镜上的材料有SiC、Be、微晶玻璃、低膨胀石英玻璃、融石英玻璃材料等，它们各有其优缺点。根据具体的工程实际选择合适的材料即可，其轻量化结构可分为背部开口式、半封闭式和封闭式三种，有圆形、三角形、四边形和六边形等。例如，“哈勃太空望远镜”[19]（HST）、超新星加速探测器[20]（SNAP）、机载平流层红外天文望远镜[21]（SOFIA）、空间红外望远镜[22]（SPICA）以及“詹姆斯韦伯天文望远镜”[23,24]（JWST），它们的大口径反射镜主镜都采用了对应的材料和轻量化结构来提升整体性能。此外，西安光机所、长春光机所、哈尔滨工业大学等国内高校和科研院所也在进行大口径反射镜的轻量化研究并取得了一系列的成果[8,10,25-28]；文献[29]采用背部开口式三角形轻量化结构对1.5m口径的SiC反射镜进行试验，其轻量化率达到了83%；文献[30]利用Isight软件对3m口径的零膨胀石英玻璃反射镜的结构和支撑点分布进行了集成优化设计。可见，3m及以上口径的大型反射镜将是未来几十年航天光学遥感元件的主流。而我国对3m及以上的大口径单体反射镜的轻量化研究尚处于起步阶段，亟需更系统更深入地研究。

本文中，3m大口径反射镜要求其主镜质量不超过550kg，在自由边界条件下，主镜频率要大于120Hz，且均匀温度变化1℃后，面形误差（RMS）至少要小于3.16nm，传统的蜂窝夹芯轻量化结构很难满上述指标要求。因此通过对反射镜开展轻量化构型设计，在保证光学面形和力学性能的前提下，采用叠层蜂窝夹芯结构来大幅降低反射镜质量；同时，通过有限元仿真计算，轻量化结构优化后反射镜为530kg，面密度为75kg/m2。用有限元分析软件模拟反射镜在不同工况下的相关性能指标，在自由边界条件下，主镜频率为178Hz，且均匀温度变化1℃后，面形误差（RMS）为0.75nm。通过有限元分析验证了采用该构型的3m大口径轻量化反射镜的在轨稳定性和优异性，为后续的实际应用提供了有力的理论支撑。

1 大口径反射镜轻量化方案

空间光学遥感正逐渐朝着大口径、高精度和全谱段方向发展。为了能适应其发展需要，其对应的光学遥感元件也需要更先进的制造技术和更合理的材料性能。就国内当前的研制技术而言，反射镜若要想满足空间使用的大口径、高轻量化、高刚度、低应力、零膨胀等要求，主要的技术难点包括合理的材料选择、超低面密度轻量化结构优化以及加工过程的应力控制等方面。

1.1 传统轻量化结构

低膨胀石英玻璃材料[31-34]在5℃~35℃范围内具有优异的热稳定性和良好的冷热加工性能，是大口径反射镜的理想材料。传统低膨胀石英玻璃材料蜂窝层夹芯结构由反射板、蜂窝层和底板三部分组成，见图1，经过特定的高温工艺形成单一镜体。反射板上表面用作光学面；蜂窝夹芯层为一个具有特定网格阵列的蜂窝状结构，它是把对镜体抗弯刚度贡献较小的那部分材料从实体中去掉，在增加其比刚度的同时大幅度减小镜体的质量[35]；与背部开口式结构相比，底板能进一步增加镜体刚度。

1.2 “格子效应”理论

在光学加工过程中，镜面在磨具压力和自身重力作用下，结构内部有筋支撑区域的弹性变形比无筋支撑区域的弹性变形要小，因此，该区域的镜面去除量也相对较多。当外力释放后，有筋支撑区域下凹，无筋支撑区域上凸，当抛光镜面面形达到较高精度时，镜面呈现波浪形，这种现象被称之为“压印效应”，也被叫做“格子效应”。

图1 传统蜂窝结构示意

根据弹性力学理论，光学加工过程中出现的“格子效应”与反射镜的结构参数存在如下关系[36-37]

式中为“格子效应”最大值；为与形状有关的因子；为光学加工时磨盘的抛光压力；为蜂窝网格内切圆直径；f为反射板厚度；为材料弹性模量；为泊松比。

由式（1）可知，在材料确定的情况下，能够影响格子效应的因素有反射板厚度、蜂窝网格大小以及光学加工时磨盘的抛光压力。为控制光学加工时的“格子效应”，反射板厚度和蜂窝网格大小间需满足一定的对应关系。

传统蜂窝夹芯反射镜结构中，由于反射板和底板为实心材料，其体积虽然仅占镜体的10%左右，但其质量却占到了镜体总质量的50%。所以，进一步减小反射板和底板厚度对反射镜质量的降低 有明显效果。而当反射板厚度减薄时，蜂窝网格尺寸需相应大幅减小。但较小的网格尺寸也会带来蜂窝层质量的增加，尤其是口径增大时，较小网格蜂窝层的质量较大，制约了反射镜质量的进一步减小。

1.3 新的轻量化结构——叠层蜂窝结构

对传统的蜂窝夹芯结构来说，由于“格子效应”的存在，使得反射板厚度、底板厚度以及蜂窝网格尺寸有一定的依存关系，它们之间相互关联且彼此制约着，这给反射镜的进一步减小质量带来困难。因此，为了满足大口径轻量化反射镜的高轻量化率和在轨高性能稳定性的应用需求，需要采取新的轻量化构型来代替传统的单层蜂窝结构。

依据弹性力学中的厚板理论[38]，对轻量化反射镜的简化模型的材料分布规律和应力分布情况进行了相应分析。以圆板形反射镜为例，由于其结构对称，可以将其简化成图2所示结构模型。

图2中的、、分别为柱坐标系的三个分量，σ、σ、σ则为其柱坐标系中对应方向的正应力分量，τ为柱坐标系中对应的剪应力分量。

图2 等效板应力分布示意

再结合其边界条件

式中为反射镜厚度；为在反射镜上施加的外载荷集度；为反射镜口径。

将上述条件代入式（2），可以得出

式中为反射镜半径。

由式（3）可以推出

式中为外部载荷，=（）；/为反射镜的径厚比，大小约为10。

分析式（3）、（4），可以得出以下结论：

1）σ，σ为反射镜所受的主要应力，沿反射镜厚度方向呈三次方分布，其最大值出现在反射板和底板的外表面。在反射镜工作时（反射板朝上），σ，σ在反射板上表现为压应力，在底板上表现为拉应力。由于脆性材料的抗压强度远远大于其抗拉强度。因此大部分情况下，相对于反射板，底板对反射镜的结构刚度贡献更大。

2）τ沿反射镜厚度方向呈二次方分布，在其蜂窝层的中间部位其幅值达到最大。但其应力幅值比反射板和底板承受的约小1个数量级，因此，蜂窝层可在工艺允许的情况下可进一步减少材料布置，以达减小质量目的。

3）σ沿反射镜厚度方向呈三次方分布，峰值大约出现在反射镜厚度的±1/3位置处，其幅值是几个主要应力中最小的。

4）反射镜的材料布置应遵循从底板和反射板向蜂窝层方向逐次减少。

以上述理论为依据，针对低膨胀石英玻璃蜂窝结构分别设计两种圆形厚板结构如图3所示。图3（a）为传统的蜂窝夹芯结构，单胞的高度为150mm，其反射板和底板直径均为100mm，两者的厚度均为10mm；在上述基础之上修改其反射板和底板厚度为5mm，并在靠近底板和反射板的附近对蜂窝结构进行了加密处理，加密筋的高度和厚度分别为20mm和2.5mm，如图3（b）所示。在外部载荷1n重力影响下简支约束底部外圆，通过有限元仿真计算对比分析两种结构的变形特性，结果见表1。

图3 两种结构有限元对比分析

表1 两种结构的各项参数对比

Tab.1 Comparison of the parameters of the two structures

从表1两种结构的对比可知，改进后结构采用从两端面板向中间逐渐轻量化的设计思路，质量小、变形小，与前面理论推导一致。

综上所述，对传统蜂窝夹芯结构反射镜方案进行改进，提出了具有立体蜂窝结构的叠层蜂窝反射镜的方案。如图4所示，该结构由反射板、薄壁细密蜂窝层、薄壁稀疏蜂窝层和底板组成。细密蜂窝结构可以有效减小反射板厚度、提高其光学加工性能，稀疏“大网格”蜂窝结构可进一步减小质量。

2 反射镜结构优化与性能分析

结合反射镜的各项指标以及实际情况，对3m大口径叠层蜂窝反射镜的结构参数进行优化设计，同时对其模态频率、过载强度和温度面形误差进行分析。

2.1 3m反射镜结构

综合考虑加工工艺和使用情况，通过参数优化得出3m叠层蜂窝反射镜结构方案：薄壁稀疏蜂窝层为正六边形阵列格板；薄壁细密蜂窝层则在每个六边形格板中间增加了三角形加密格板；蜂窝加密层格板厚度为2.5mm，六边形格板厚度为3.0mm。

图4 叠层蜂窝结构示意

为了进一步减小反射镜光学加工时镜面上产生的“格子效应”，本文对加密层三角形格板的背部高度分布进行了优化设计。图5所示为细密蜂窝层构型的格子效应优化结果，优化后的面形（PV）减小了32.4%。

图5 “格子效应”拓扑优化及仿真分析

该3m叠层蜂窝反射镜设计质量530kg，面密度75kg/m2。

在1m至4m量级口径的反射镜范围内，在相同的设计输入（面形、支撑方式、强度和模态频率等）下，按照传统蜂窝和叠层蜂窝两种轻量化构型，分别对每种口径的反射镜结构进行了详细的参数优化，并确定结构设计方案，得到两种构型反射镜的设计质量对比，如图6所示。

图6 两种构型质量减小的效果对比

由图6可知，在保证性能的情况下，叠层蜂窝结构能够大幅度减小反射镜质量，并且随着口径的增大，质量减小效果越为明显。在自由边界条件下，3m叠层蜂窝轻量化结构反射镜的一阶非零模态频率为178Hz，相比3m口径传统蜂窝夹芯结构反射镜质量780kg，低频160Hz，具有更大的优势。

2.2 性能分析

（1）卸载支撑优化

（2）发射状态过载安全性

3m反射镜发射入轨时采用Whiffle-tree支撑。、、三个方向10n过载状态下反射镜的最大应力为3.25MPa（方向为垂直于反射面的方向，、方向分别为反射镜面内的两个正交方向），结构安全。

（3）温度对面形的影响分析

在轨航天器的温度变化会引起反射镜面形变化。分析1℃温升条件下反射镜自由状态面形精度的变化，计算结果表明，在温升1℃后，得益于材料近零的热膨胀系数，反射镜面形误差(RMS)为0.75nm（/839，波长=632.8nm），具有优异温度稳定性。

3 结论

相比于传统的单层蜂窝结构，叠层蜂窝结构突破了传统单层蜂窝结构的限制，在保证光学加工和使用性能的前提下，可有效减小反射镜质量，并以3m口径的反射镜为目标对该结构进行了分析计算，通过详细的数值计算对叠层蜂窝轻量化结构的合理性和可行性进行了分析验证。空间相机3m反射镜采用叠层蜂窝轻量化结构，通过参数优化，反射镜质量为530kg，面密度为75kg/m2。叠层蜂窝反射镜技术未来可应用于我国空间高分辨率对地观测成像光学系统。

[1] 刘辉, 于清华, 裴云天. 大口径反射镜轻量化结构比较及面形分析[J]. 光电工程, 2009, 36(11): 71-74. LIU Hui, YU Qinghua, PEI Yuntian. Light-weighted Structure Contrast and Deformation Analysis of the Large Mirror[J]. Opto-electronic Engineering, 2009, 36(11): 71-74. (in Chinese)

[2] 赵汝成, 包建勋. 大口径轻质SiC反射镜的研究与应用[J]. 中国光学, 2014, 7(4): 553-558. ZHAO Rucheng, BAO Jianxun. Investigation and Application of Large Aperture Scale Lightweight SiC Mirror[J]. Chinese Optics, 2014, 7(4): 553-558. (in Chinese)

[3] 卢晓明. 空间大口径望远镜光机结构优化设计[D]. 上海: 中国科学院上海技术物理研究所, 2018. LU Xiaoming. Optimization Design of Space Large Aperture Telescope Optical Machine Structure[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, 2018. (in Chinese)

[4] 王克军. 天基大口径反射镜轻量化设计及复合支撑技术研究[D]. 长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2016. WANG Kejun. Research on the Lightweight Design and Compound Support of the Large-aperture Mirror for Space-based Telescope[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2016. (in Chinese)

[5] 邵亮, 杨飞, 王富国, 等. 1.2m轻量化SiC主镜支撑系统优化设计[J]. 中国光学, 2012, 5(3): 230-231. SHAO Liang, YANG Fei, WANG Fuguo, et al. Design and Optimization of Supporting System for 1.2m Lightweight SiC Primary Mirror[J]. Chinese Optics, 2012, 5(3): 230-231. (in Chinese)

[6] 安鲁明, 张淑杰, 周成林, 等. 空间反射镜结构轻量化设计研究[J]. 制造业自动化, 2019, 41(6): 106-109.AN Luming, ZHANG Shujie, ZHOU Chenglin, et al. Study on Lightweight Design for Spatial Mirror Structure[J]. Manufacturing Automation, 2019, 41(6): 106-109. (in Chinese)

[7] 王书新. 2m量级空间反射镜组件设计与优化[D]. 长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2013. WANG Shuxin. Design and Optimization of 2m-Class Space Reflector Assemblies[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2013. (in Chinese)

[8] 赵洪波. 大口径空间灵巧望远镜系统中主反射镜的研究[D]. 西安: 中国科学院西安光学精密机械研究所, 2007. ZHAO Hongbo. Research on Primary Mirror of the Smart Large Aperture Space Telescope System[D]. Xi’an: Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2007. (in Chinese)

[9] 汪逸群, 齐心达. 国外空间光学扫描机构现状[J]. 光机电信息, 2010, 27(12): 15-20. WANG Yiqun, QI Xinda. Current Situation of Space Optical Scanning Mechanism in Foreign Countries[J]. OME Information, 2010, 27(12): 15-20. (in Chinese)

[10] 刘明东. 反射镜轻量化分析与设计方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016. LIU Mingdong. Study on Analysis and Design Method of Light-weight Reflector[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016. (in Chinese)

[11] 胡瑞. 基于拓扑优化的空间反射镜与柔性支撑结构设计方法[D]. 大连: 大连理工大学, 2017. HU Rui. Topology Optimization-based Design Method of Space Mirror and Flexible Support Structure[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2017. (in Chinese)

[12] LIU Guang, GUO Liang, WANG Xintong, et al. Topology and Parametric Optimization Based Lightweight Design of a Space Reflective Mirror[J]. Optical Engineering, 2018, 57(7): 075101-1-075101-12.

[13] 宋有贵, 陈玲, 田守信, 等. 反射镜镜体轻量化结构设计的对比研究[J]. 兵工学报, 2000, 21(2): 137-139. SONG Yougui, CHEN Ling, TIAN Shouxin, et al. A Comparative Study on Light-weighted Mirror Structure Design[J]. Acta Armamentrii, 2000, 21(2):137-139. (in Chinese)

[14] 齐亚范, 方敬忠, 杨力, 等. 轻型反射镜研究与发展[J]. 光学技术, 1998, 5(3): 49-52. QI Yafan, FANG Jingzhong, YANG Li, et al. Investigated and Development of Lightweight Mirror[J]. Optical Technique, 1998, 5(3): 49-52. (in Chinese)

[15] 宋朝辉, 卢锷, 吴清文. 长条型非球面反射镜轻量化及支撑结构优化研究[J]. 高技术通讯, 2001(2): 89-91. SONG Chaohui, LU E, WU Qingwen. Study on Lightweight and Optimization of Supporting Structure for the Rectangular Aspherical Reflector[J]. High Technology Letters, 2001(2): 89-91. (in Chinese)

[16] RICHARD R M, MALVICK A J. Elastic Deformation of Lightweight Mirrors[J]. Applied Optics, 1973, 12(6):1220-1226.

[17] WILSONR N. Reflecting Telescope Optics II: Manufacture, Testing, Alignment Modern Techniques[M]. Springer, 1999: 264-268.

[18] KIHM H, YANG H. Design Optimization of a 1-m Lightweight Mirror for a Space Telescope[J]. Optical Engineering, 2013, 52(9): 091806-1-091806-9.

[19] MONTAGNINO L A. Test and Evaluation of the Hubble Space Telescope 2.4-meter Primary Mirror[J]. SPIE, 1985, 571: 182-190.

[20] LAMPTON M, AKERLOF C, ALDERING G, et al. SNAP Telescope[J]. SPIE, 2002, 4849: 215-226.

[21] BITTNER H, ERDMANN M, ERHARD M, et al. The Optical System of the SOFIA Telescope[J]. SPIE, 2004, 5489: 805-816.

[22] TOULEMONT Y, BREYSSE J, PIEROT D, et al. The 3.5m All Sic Telescope for SPICA[J]. SPIE, 2004, 5487: 1001-1012.

[23] CLAMPIN M. The James Webb Space Telescope (JWST)[J]. Advances in Space Research, 2008, 41:1983-1991.

[24] COLE G C, GARFIELDA R, PETERS T, et al. An Overview of Optical Fabrication of the JWST Mirror Segments at Tinsley[J]. SPIE, 2006, 6265, 62650V1-9.

[25] 闫勇, 金光, 杨洪波. 空间反射镜结构轻量化设计[J]. 红外与激光工程, 2008, 37(1): 98-101. YAN Yong, JIN Guang, YANG Hongbo. Lightweight Structural Design of Space Mirror [J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(1): 98-101. (in Chinese)

[26] 陈洪达, 陈永和, 史婷婷, 等. 空间反射镜的轻量化及支撑设计研究[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(2): 536-537. CHEN Hongda, CHEN Yonghe, SHI Tingting, et al. Lightweight and Mounting Design for Primary Mirror in Space Camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(2): 536-537. (in Chinese)

[27] 董吉洪, 王克军, 李延春, 等. 空间遥感器中大口径 SiC 主镜的轻量化设计[J]. 中国光学, 2011, 4(2): 119-123. DONG Jihong, WANG Kejun, LI Yanchun, et al. Lightweight Design of Large-aperture SiC Primary Mirrors for Space Remote Sensors[J]. Chinese Optics, 2011, 4(2):119-123. (in Chinese)

[28] 伞兵, 李景林, 孙斌. 空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(10): 3044-3048. SAN Bing, LI Jinglin, SUN Bin. Light-weight Technology and Its Application of Large-aperture Mirror in Space Camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(10): 3044-3048. (in Chinese)

[29] 李慎华, 关英俊, 辛宏伟, 等. 大口径空间反射镜轻量化设计及其柔性支撑[J]. 激光与红外, 2017, 47(11): 1423-1427. LI Shenhua, GUAN Yingjun, XIN Hongwei, et al. Lightweight Design and Flexible Support of Large Diameter Mirror in Space Camera[J]. Laser and Infrared, 2017, 47(11): 1423-1427. (in Chinese)

[30] 王小勇, 张博文, 郭崇岭, 等. 3m口径空间反射镜的参数优化[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(S): S113002-1-S113002-6. WANG Xiaoyong, ZHANG Bowen, GUO Chongling, et al. Parameter Optimization of 3m Aperture Space-based Mirror[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(S): S113002-1-S113002-6. (in Chinese)

[31] RANDY R. Review of Corning’s Capabilities for ULE Mirror Blank Manufacturing for an Extremely Large Telescope[J]. SPIE, 2006, 6273: 627302-1-627302-8.

[32] CROCKER J H. Fixing the Hubble Space Telescope[J]. SPIE, 1991, 1494: 2-8.

[33] FOX A, HOBBS T, EDWARDS M, et al. ULE Designed Considerations for a 3m Class Light Weighted Mirror Blank for E-ELT M5[J]. SPIE, 2017, 9912: 99123F-1-99123F-10.

[34] 刘韬, 周一鸣, 江月松. 国外空间反射镜材料及应用分析[J]. 航天返回与遥感, 2013, 34(5): 90-98. LIU Tao, ZHOU Yiming, JIANG Yuesong. Research and Application of Foreign Space Mirror Materials[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(5): 90-98. (in Chinese)

[35] CHEN X, CHENG Y, ZENG Q, et al. Optimized Analysis of Parameters for Honeycomb Sandwich Mirror[J]. SPIE, 2014, 9151: 91513H-1-91513H-10.

[36] YODER Jr P R. 光机系统设计: 3版[M]. 周海宪, 程云芳, 译. 北京: 机械工业出版社, 2008. YODER Jr P R. Opto-mechanical System Design: 3rd ed[M]. ZHOU Haixian, CHENG Yunfang, Translated. Beijing: China Machine Press, 2008. (in Chinese)

[37] VUKOBRATOVICH D. Lightweight Mirror Design[M]//Handbook of Opto-mechanical Engineering. Boca Raton, FL: CRC Press, 1997.

[38] 铁摩辛柯S P, 古地尔J N. 弹性理论: 3版[M]. 徐芝纶, 译. 北京: 高等教育出版社, 2013. TIMOSHENKO S P, GOODIER J N. Theory of Elasticity: 3rd ed[M]. XU Zhilun Translated. Beijing: Higher Education Press, 2013. (in Chinese)

Lightweight Structure Optimization of a 3m Class Large Aperture Space Optical Primary Mirror

LANG Ming1,2HU Rui1ZHANG Yuanyuan1*CHEN Gangrong1,2CHEN Xiaoan1HU Guitao1

（1 Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China）（2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Increasing the aperture of the primary mirror is the most direct way to improve the resolution of the spatial reflective optical system. With the increasing of the aperture, the traditional honeycomb structure is difficult to meet the requirements of high lightweight and high rigidity of the mirror, so it is necessary to study a new structural scheme to optimize its design. Based on the traditional honeycomb sandwich mirror structure and the stress state analysis of the mirror, a new lightweight scheme, laminated honeycomb sandwich mirror, is proposed in this paper. At the same time, taking a 3m class large aperture mirror as an example, the detailed structural parameter optimization is carried out. The surface shape change of unloading support state is analyzed, and the overload strength and temperature surface shape stability of the mirror are checked to verify the rationality of the lightweight structure scheme of the laminated honeycomb large aperture mirror.

honeycomb structure; lightweight structure optimization; 3m class large aperture; space mirror; space camera

TH751

A

1009-8518(2020)05-0055-9

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.05.007

2020-04-15

郎明, 胡瑞, 张媛媛, 等. 3m级大口径空间光学主反射镜的轻量化结构优化[J]. 航天返回与遥感, 2020, 41(5): 55-63.

LANG Ming, HU Rui, ZHANG Yuanyuan, et al. Lightweight Structure Optimization of a 3m Class Large Aperture Space Optical Primary Mirror[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(5): 55-63. (in Chinese)

郎明，男，1993年生。2017年获河北大学光电信息与科学技术专业学士学位，现在中国科学院光电技术研究所仪器仪表工程专业攻读硕士学位，研究方向为反射镜轻量化技术。E-mail：langminggege@163.com。

张媛媛，女，现为中国科学院光电技术研究所副研究员，研究方向为空间大口径超轻量化反射镜的设计与有限元分析。E-mail：zhangyy@ioe.ac.cn。

（编辑：王丽霞）