轻量化碳化硅反射镜支撑方案分析

　　1　引　言

　　随着空间光学技术的发展,人们对空间相机主反射镜提出了口径更大的要求。反射镜口径增大所带来的主要技术问题有:反射镜因自重而引起的镜面变形增大;反射镜因环境温度变化及镜体温度梯度而产生的镜面热膨胀变形增大;为降低发射成本,主反射镜必须轻量化,而轻量化后在重力作用下的变形也将加剧,这种变形不仅直接影响相机的成像效果,而且也将影响反射镜的加工和检测。本文针对这些实际问题,讨论了在自重作用下轻量化主反射镜的支撑方案,应用CAE技术分析了在这种方案下的镜面变形情况,并给出了适当的支撑形式。使主反射镜的支撑方案能够同时满足在竖直放置和水平放置情况下的形变要求。在本文的讨论中没有涉及有关支撑方案的具体机械结构,而是通过给主镜施加定位约束和利用施力的方法对主镜进行定位和重力卸载。

　　2　主镜结构和主要技术参数

　　本文所讨论的主反射镜是口径为391mm的非球面镜,其最接近球面半径为668mm。为了达到超轻型,径厚比选为11∶1,由于主镜的非球面度很小,以最接近球面的方法作变形分析也具有足够高的精度。

　　镜坯材料选用新型材料碳化硅,这种材料具有刚度大和材料比刚度高的特点。在使用这种材料时,在高度轻量化的情况下,主镜质量为7kg。表1给出了碳化硅和与变形相关的主要技术参数。

　　为了使主镜轻量化,将主镜的背部设计成蜂窝状三角形的开放式结构,如图1所示。

　　3　分析步骤

　　针对轻量化主镜水平放置和竖直放置两种情况,要求设计出一种支撑方式能够同时满足工程提出的变形要求。在这两种情况下,主镜变形主要来源于自重作用。本文运用有限元力学分析方法讨论了反射镜在重力作用下的变形规律。具体分析步骤为:

　　(1)利用CAD软件建立主镜的几何模型。

　　(2)建立主镜的有限元模型。对由Patran读CAD软件时所建立的几何模型进行网格划分,将反射镜划分成为有限的节点和单元,划分中要注意网格的对称性。

　　(3)对在检测状态下的主镜建立一系列的支撑结构,并将其转化为边界条件,使边界条件和重力载荷共同作用于主镜模型。

　　(4)对所提交的Nastran有限元分析软件进行分析计算。

　　(5)综合分析其结果和变形规律。

　　(6)选择合乎工程精度要求的最佳支撑方案,并将此方案应用于加工状态,并提交运算,分析它能否同样适用于工程精度要求,若不能,则需重新设计支撑方案,直到满足要求为止。

　　最终得到的设计方案应能够同时满足水平放置和竖直放置的要求。