某接觸型空間反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

付亮亮+何欣+王忠善

摘要： 為檢測空間小型凸非球面反射鏡，設(shè)計了一種適合其檢測的結(jié)構(gòu)。由于需要透射式檢測，材料選擇有局限性，首先優(yōu)選反射鏡材料，然后優(yōu)選反射鏡支撐方案，并對反射鏡定位原理進(jìn)行詳細(xì)分析。在設(shè)計此反射鏡組件時特地添加了阻尼環(huán)節(jié)及柔性環(huán)節(jié)，以減小裝配應(yīng)力、熱應(yīng)力及動力學(xué)響應(yīng)，并重點而透徹地分析了裝配方法，且對該反射鏡組件進(jìn)行了模擬工程分析。分析結(jié)果滿足指標(biāo)要求，該方案設(shè)計合理可行。

關(guān)鍵詞：

空間多光譜相機； 次鏡； 周邊支撐； 工程分析

中圖分類號： V 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.005

文章編號： 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

多光譜成像技術(shù)在航空航天領(lǐng)域里通常被用做遙感平臺，對地面進(jìn)行探測，其中多光譜相機有著巨大的潛力和應(yīng)用前景[1]。本文研究的是某空間多光譜相機的次鏡，空間多光譜相機的光學(xué)系統(tǒng)中的次鏡組件為一重要的光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣與成像質(zhì)量息息相關(guān)。一個優(yōu)質(zhì)反射鏡支撐結(jié)構(gòu)不但能夠保證反射鏡的支撐剛度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)與反射鏡鏡體的熱學(xué)匹配，從而使各種工況下反射鏡的面形精度都達(dá)到指標(biāo)要求。本文針對反射鏡鏡體及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行了較為系統(tǒng)全面的分析，結(jié)合實際工程科研項目，利用現(xiàn)代的設(shè)計方法（計算機輔助優(yōu)化設(shè)計），且應(yīng)用線性分析方法代替非線性分析方法，研究并優(yōu)化出一種穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、質(zhì)量輕、比剛度大的反射鏡柔性結(jié)構(gòu)支撐組件方案，選擇適合于空間且符合實際要求應(yīng)用的光學(xué)及結(jié)構(gòu)材料，目的在于保證整個光學(xué)系統(tǒng)能夠長期具有十分穩(wěn)定的成像質(zhì)量。

本文研究的次鏡有效通光孔徑為105 mm×90 mm的長方形小口徑凸非球面反射鏡，曲率半徑為478.89 mm。要求面形精度小于1/50λ（λ=0.632 8 μm），反射鏡組件質(zhì)量小于2.2 kg，環(huán)境溫度變化為±15 ℃。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 反射鏡鏡體及支撐材料的選取

反射鏡鏡體材料的選擇主要考慮材料的光學(xué)可加工性能、材料的力學(xué)性能以及材料的穩(wěn)定性、安全性及物理性能等重要因素[2]。需要選用比剛度大、導(dǎo)熱率高而線膨脹系數(shù)小的材料。由于次鏡為凸非球面反射鏡，考慮到非球面加工及檢測時需采用背部透射式檢測方法，所以所選光學(xué)材料范圍較小，常用的可以采用透射式檢驗方式檢測的反射鏡鏡體材料性能指標(biāo)見表1。

對比表中兩種反射鏡材料，熔石英明顯具備優(yōu)秀的比剛度、導(dǎo)熱率及線膨脹系數(shù)指標(biāo)，是空間相機反射鏡組件理想的鏡體材料。其材料的優(yōu)點是比剛度較高、線膨脹系數(shù)小、均勻性好、便于光學(xué)加工且面形拋光效率高[3]，已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于空間多光譜相機的光學(xué)元件中。

解決反射鏡組件適應(yīng)溫度環(huán)境變化的關(guān)鍵是鏡體材料與支撐材料間的熱匹配和熱變形補償能力，在選擇與次鏡鏡體直接接觸的支撐結(jié)構(gòu)材料時，特地選擇線膨脹系數(shù)與反射鏡的線膨脹系數(shù)一致的適用于空間環(huán)境條件的材料[4]，則均勻的溫度變化就不會引起反射鏡面的畸變；與次鏡鏡體非直接接觸的支撐結(jié)構(gòu)材料則選用線膨脹系數(shù)較小，也適用于空間環(huán)境條件的高比剛度且穩(wěn)定性高的材料。常用的反射鏡支撐結(jié)構(gòu)材料見表2。

對比表2數(shù)據(jù)，銦鋼有與反射鏡材料最接近的線膨脹系數(shù)，且比剛度較高，為了避免材料線膨脹系數(shù)不匹配對鏡面面形精度的影響，與熔石英鏡體直接接觸的結(jié)構(gòu)材料選用線膨脹系數(shù)經(jīng)過特殊匹配的合金材料，即線膨脹系數(shù)為0.38（10-6/K）的定制銦鋼材料，其他支撐結(jié)構(gòu)材料則選用線膨脹系數(shù)相對較小，比剛度相對較高的鈦合金材料。然而單單從材料的線膨脹系數(shù)匹配方面來消除由環(huán)境溫度變化造成的鏡體面形精度的下降是不夠的，還要通過選用合適的支撐結(jié)構(gòu)，來進(jìn)一步減小外部環(huán)境因素等變化對反射鏡鏡體面形精度的影響。

1.2 支撐方式的選取

反射鏡周邊支撐方式較復(fù)雜，一般將反射鏡放置在周圍相對封閉的鏡框之中，根據(jù)六自由度完全定位原理，在反射鏡框的內(nèi)腔形成了六個定位面，各定位面均要有很高的平面度。在封閉鏡座中裝入反射鏡，各定位面均與反射鏡體完全接觸，在各定位面對應(yīng)的另一面，反射鏡的移動靠彈性的壓片限制，采用壓板式固定反射鏡的工作面一端，并修研壓板，以保證壓板與反射鏡結(jié)合面零間隙，如圖2所示，中小口徑的反射鏡也可以采用此種支撐方式。反射鏡組件與框架等的連接點應(yīng)盡量遠(yuǎn)離反射鏡工作面，以消除由反射鏡鏡框的裝配應(yīng)力引起的鏡面變形，通過整體式鏡框來支撐反射鏡鏡體，在反射鏡組件與相機主框架連接處設(shè)置適當(dāng)?shù)膽?yīng)力釋放的柔性環(huán)節(jié)，避免外部環(huán)境溫度變化和系統(tǒng)裝配等產(chǎn)生的應(yīng)力對鏡面面形的影響。為保證反射鏡鏡體可靠固定，提高反射鏡組件的抗振性能，可以考慮在內(nèi)部加入適當(dāng)?shù)淖枘岘h(huán)節(jié)。次鏡采用熔石英材料且次鏡鏡面外凸，在非球面加工、檢測時需透射測量，因此次鏡鏡背磨成高精度平面，且不能做輕量化設(shè)計。由于空間的限制，次鏡的外形尺寸設(shè)計成105 mm×90 mm×20 mm。根據(jù)次鏡的結(jié)構(gòu)特點，采用周邊支撐的方案。但當(dāng)環(huán)境溫度變化時容易存在熱應(yīng)力，因此，對此方案進(jìn)行優(yōu)化。