某光电经纬仪主镜轻量化设计与研究

　　1　引言

　　光电经纬仪是涉及光学、精密机械、电子、伺服控制、信息和计算机技术的综合性光学测量设备,是现代军事技术高度发展的象征[1]。在望远镜中光学系统成像质量的好坏,主反射镜起着关键作用,它依赖于主反射镜的结构形式、制造质量、安装方式及安装质量和所受载荷等因素。

　　近年来随着望远镜技术的发展,主镜的口径越来越大。为减少主镜口径增大所带来的主镜重量增加、自重变形和温度变形等问题,人们提出了各种解决方法,如研制新型轻质材料、改进支撑方式等,而采用主镜轻量化结构设计技术是最实际、最有效的方法[2-6]。

　　传统的主镜结构是实心圆柱形,这种主镜的优点是其本身刚度好,加工、安装和调整比较方便,早期的望远镜主镜多为这种结构。随着主镜口径的增大,为获得足够的刚度,涌现了蜂窝结构等轻量化主镜。如哈勃望远镜主镜就采用了蜂窝状轻量化结构,主镜由ULE制成,直径为2. 4m,厚度为0. 33m,质量为829kg,轻量化率约为70%,面密度为180kg/m2,此技术较为成熟,多采用此技术对主镜进行轻量化。另一种趋势是采用主动光学,后者最大优点是重量轻,镜坯工艺简单,但对支撑力的精确度要求很高,一般不超过1%。如欧洲南方天文台的VLT主镜(材料为Zerodur,直径为8. 2 m,厚度为0. 175 m)、日本的SUBARU主镜(材料为ULE,直径为8. 3 m,厚度为0. 23 m)等都采用了主动光学技术。近年来国内外在进行大型天文望远镜的设计和制造中,主动光学和自适应光学已经得到了一定的应用,但对于小型或1 m级的中等尺寸的主反射镜,不易采用主动光学技术。本文主要对某最大口径680mm的光电经纬仪主镜进行轻量化设计,主要要求的技术指标要求:主镜综合面形误差[PV]<1/8λ, [RMS]<1/40λ,λ=632. 8nm。

　　2　研究路线

　　用三维建模软件UG.NX对主镜建模,可以得到主镜的质量为87. 54kg,重量较重,对支撑以及其他结构设计带来了麻烦,在支撑条件下产生较大的变形和应力,为获得足够的刚度,对主镜进行轻量化设计。本文是对一口径为φ680mm,通光口径为φ650 mm的主反射镜的轻量化结构及其性能分析,采用CAD /CAE(计算机辅助设计/分析)的方法,用三维建模软件UG.NX对主镜进行三维几何建模,借助有限元分析软件Patran/Nastran对主镜进行静力学、动力学模态及热力学分析。拟采用的研究路线为:

　　1)首先对主镜材料进行选择,确定主镜各参数值,并确定支撑方式及位置,建立结构几何模型,进行轻量化设计。

        2)建立主反射镜有限元模型,划分单元,建立约束条件,并施加载荷,对主镜进行静、动态刚度分析和热特性分析。