球面反射镜镜面热变形的数值分析

　　1　引　言

　　由于空间光学仪器的特殊要求和特定任务,决定了光学仪器必须在恶劣的空间环境下具有可靠的光学性能。而光机结构在环境载荷的作用下,一方面会造成光学元件相对位置的变化,同时也会引起光学元件表面面形发生变化,从而导致系统光学性能的下降,因此,分析空间环境下系统的光学表面变形是很有必要的。

　　镜面表面变形引起了系统光学性能的降低,因此,可以用光机系统光学性能降低的程度来评价镜面表面变形。众所周知,光滑和连续的波面可以用一个完备的基底函数或一个线性无关的基底函数的线性组合来表示,而Zernike多项式由于具有互为正交、线性无关以及与Seidel像差的对应关系等特性,目前被广泛地用来表示波前[1]。

　　本文以常见的球面反射镜为例,应用光机热(TSO)集成分析方法,以Zernike多项式为接口工具将热、结构和光分析程序集成为一体,应用各种分析软件对镜面变形进行数值分析,实现光机系统在外载荷(热、力载荷)作用下的光学性能评估。TSO集成分析法包括热(Thermal)、结构(Structural)和光(Optical)分析。集成分析首先进行各功能模块软件的独自分析,再进行数据传输、交换,最后进行集成分析。图1为TSO集成分析流程图。

　　本文对光机系统进行光机热集成分析时应用的软件有:MSC.Patran/ MSC.Nastran (结构分析模块和热分析模块)　Code V(光学分析模块)。

　　2　某光机系统中球面反射镜的TSO集成分析

　　如图2所示,球面反射镜置于铝框中,反射镜和铝框之间通过RTV型硅胶粘接,调节室内环境温度(稳恒温度场)或在铝框上表面贴加热片(梯度温度场)来模拟热环境。

　　光机结构与外界的热量交换方式主要为:结构与外界环境间的热对流,结构与加热片间的热传导,而结构的热辐射相比而言非常小,可忽略。

　　反射镜的口径为330mm,中心厚度为43mm,边缘厚度59mm,反射面为标准球面,球面半径为832mm,背部为平面。镜子的材料为微晶玻璃,其热稳定性较好。表1所示为光机系统中各种材料的性能参数。

　　由上表可以看到,RTV型硅橡胶的弹性模量很小,在外力作用下有较大的变形,能起到吸收应变能的作用,本文最后对此进行了分析。

　　2.1　球面反射镜的工程分析

　　工程分析主要包括温度场分析和结构分析,均采用有限元法(FEA)进行。一般先在CAD软件中建立三维实体模型,然后将其导入有限元软件中,在三维实体模型基础上建立有限元模型并进行分析。在本例中,在CAD软件UG中建立实体模型,有限元模型则在MSC.Patran中建立。反射镜承受的载荷主要有热载荷、1g重力载荷。