红外太阳望远镜封窗玻璃的变形分析

　　引 言

　　为了加快发展我国太阳物理研究工作，配合空间太阳望远镜的观测，经过我国太阳物理界多次研讨和论证，提出应尽快研制一台一米口径的真空红外太阳望远镜。红外太阳望远镜具有宽波段、接近衍射极限的光学分辨力，建成后其性能将达到同类仪器的世界领先水平。为了确保高质量的成像系统，达到 0.3 角秒的空间分辨力，需要对一些对成像质量产生影响的关键部件进行综合分析。在此系统的设计过程中，为了克服镜筒内部空气湍流对光学成像质量的扰动和延长光学部件表面镀层的使用寿命，需要采用真空密封系统。由于在地面上观测太阳，这不可避免的使封窗玻璃受到大气压力的作用，而且由于封窗玻璃的口径大，受到的重力影响也是不可忽略的，因此对真空望远镜的封窗玻璃在工作状态下的有限元分析是非常必要的。

　　1 太阳望远镜的光学系统及封窗玻璃的主要技术参数

　　本文所探讨的太阳望远镜的光学系统是由抛物面反射式主镜和两块椭球面反射镜构成的修正的格里高里三反射镜系统。所研究的封窗玻璃直径为1100mm,其中有效孔径是φ983.4mm，径厚比是17/1。由于红外太阳望远镜的工作波段是覆盖近紫外到近红外的 0.3μm-2.5μm，它的限制主要来自于反射镜镀膜和封窗玻璃的光谱特性，所以在选择材料时要充分考虑光谱特性，此红外太阳望远镜采用的材料是K9，该材料具有稳定性能好，加工性能较好，成本低，能满足所需要的光谱特性等优点。

　　2 封窗玻璃的应力分析与建模

　　在观测的过程中，封窗玻璃随着望远镜的转动，而承受着不同方向的作用力。首先，由于镜筒内部是真空的环境，封窗玻璃在不同的位置都会受到大气的压力，它的方向始终和封窗玻璃的法线方向是一致的，在望远镜转动时，封窗玻璃的法线方向是在不断的变化的，所以大气压力的作用方向也是不断的变化的。其次，由于太阳望远镜是在地面观测太阳，所以不可避免的要受到重力的影响，而重力的作用方向是不变的。封窗玻璃所受到的主要作用力就是这两种，但两个作用力一个方向是改变的，而另一个是不变的，也即需要根据具体的情况选择适当的坐标系。在这两个作用力中，对玻璃变形影响较大的是大气压力，而且封窗玻璃的法线方向是和光学系统的光轴是一致的，所以在本文中选择光学系统的光轴是 X轴，这样可以使计算表面变形更加方便。

图2   封窗玻璃精度检查图

Fig.2 Accuracy detection picture of hermetic window glass

　　由于封窗玻璃受到不断变化的力的作用，它的变形也因此变得比较复杂，在此运用有限元力学分析方法分别讨论在不同的情况下的变形规律。在用有限元软件进行分析前，首先需要建立玻璃的模型，由于封窗玻璃在受力过程中，产生的应力不均匀，而且要求的变形结果精度很高，所以本文在建模时，采用自动划分网格的办法，同时在应力值比较大的部位重新细分网格，使精度值最好达到 0.1 以下，不过在变形比较小的部位，精度值可以略大一些。封窗玻璃在初步分析后，发现在玻璃的约束点附近以及玻璃的中心部分应力值比较大，所以在这些部位进行细分网格。封窗玻璃的初步模型和经细分网格后的模型如图1。在经过细分后，可以通过精度检查来看出封窗玻璃的表面的精度是否达到了要求的精度指标，一般精度在 0.1 以下比较好。此模型的精度检查图如2，从图2 可以看出，经过细分后的网格的精度基本上满足封窗玻璃的精度要求，在变形较大的地方精度都小于 0.1，只有在约束节点的附近才达到0.1 以上，不过在那些部位的变形量都很小，由于在以后的分析中，主要是需要的数据是玻璃的变形量，所以可以加以忽略。