某空间用主反射镜的设计

　　1　引　言

　　近年来,随着空间光学的飞速发展,对地面分辨率要求越来越高。为了提高遥感仪器的地面分辨率,通常采用长焦距和大相对孔径的三反射镜光学系统,三个反射面均采用非球面可以校正球差、彗差、像散等像差,增加了轴外视场光通量,使得像面照度均匀,有利于设计较大的视场,做到大的相对孔径,故有效地减少了遥感器的体积和质量,缺点是需采用较大尺寸非球面反射镜。主反射镜作为光学系统的关键部件之一,对整个光学系统的成像质量起着至关重要的作用。为了保证主反射镜在空间力学和热环境下保持良好的稳定性,必须对主反射镜的材料、结构形式、支撑方式等方面进行设计和考虑。本文介绍了某空间大尺寸主反射镜的设计和讨论,并进行了有限元分析,为反射镜的设计提供依据。

　　2　反射镜的材料选择

　　2. 1　反射镜材料的基本要求

　　选择反射镜材料的基本要求有以下三点[1]:

　　a)具有较好抵抗受力变形和受热变形的能力,具有稳定的性能和尺寸;

　　b)可以进行高度的抛光,并可镀达到要求反射率的反射膜;

　　c)可进行高度轻量化,同时维持充足的刚度。

　　2. 2　常用反射镜材料

　　目前,满足以上要求常用的反射镜材料有铍(Be)、铝(Al)、融石英(FS)、微晶玻璃(Zerodur)及碳化硅(SiC)等,材料特性如表1所示。

　　2. 3　主反射镜材料的选择

　　针对该空间项目的技术要求,要求主反射镜可以镀高反射率的反射膜;在热载荷和重力载荷的作用下具有良好的稳定性。金属铍由于其剧毒性;铝的膨胀系数较大,表面粗糙度较大;熔石英的稳态畸变太大,出现温度变化时不易保持尺寸的稳定性[3],以上三种材料基本可以排除在外。

　　选择SiC和微晶玻璃作为该项目主反射镜备选材料,对两种材料进行分析和对比。

　　2. 3. 1　抵抗重力变形的能力

　　反射镜加工和装配均在地面进行,受重力影响,将产生自重变形,圆形反射镜的变形量可近似用下式表示:

　　其中,δ为镜面自重变形量;ρ为材料的密度;E为材料的弹性模量;D为反射镜直径;H为反射镜厚度;z为镜面与水平方向夹角; k为系数,与固定方式有关。在外形尺寸和固定方式相同的情况下,SiC比刚度大,弹性模量高,在抵抗重力变形的能力上比微晶玻有明显的优势。

　　2.3.2　抵抗温度变形的能力

　　反射镜的使用在一定温度范围内,温度的变化同样会引起反射镜的变形,反射镜的变形量可近似用下式来衡量[4]:

　　其中,Δx为圆形反射镜的温度变形量;α为材料的线膨胀系数;Δx为反射镜厚度方向的温度梯度。由式中可见,单镜来说,SiC的线胀系数较微晶玻璃大,但导热系数较高,有利于消除镜体中的温度梯度,所以综合考虑SiC和微晶玻璃具有接近的热畸变,适合环境温度变化的能力相近;从整个系统来讲,所有零部件具有相同的膨胀系数是理想的,当系统温度变化时系统各元件具有相对稳定的位置关系,保证成像质量,而微晶玻璃的膨胀系数近似为零,很难做到整个系统和它的膨胀系数来匹配,所以SiC膨胀系数较大具有一定优势。