空间反射镜柔性支撑设计与分析

　　1 引 言

　　反射镜是空间光学系统的关键部件之一， 其面形精度将直接决定着整个系统的地面分辨率等光学性能。 由于空间光学遥感在运载、 发射阶段的振动过载冲击等动力学环境下， 将产生应力释放， 影响反射镜面形精度， 尤其是在入轨后所处的复杂热环境下， 温度的变化将使反射镜镜面面形严重超差，影响整个系统的成像质量[1-2]。 因此， 在考虑反射镜料选取、 结构形式等方面的同时， 必须选择合理的支撑方式， 以保证主反射镜在空间力学和热环境下保持良好的稳定性。

　　本文针对外形尺寸为 φ240 mm 的小型空间遥感器反射镜柔性支撑方案进行了优化设计。 系统要求反射镜在重力作用以及环境温度±6 ℃变化时， 镜面面形精度PV值优于λ/10， RMS值优于λ/50 (λ=700nm)，反射镜组件的一阶谐振频率要求达到 200 Hz。 本文通过反射镜支撑材料选择、 支撑方案的确定、 组件的有限元分析， 设计了一种满足要求的反射镜柔性支撑方案。

　　2 结构设计

　　2.1 反射镜的支撑结构

　　反射镜支撑方式按与反射镜接触点的位置分为周边支撑、 中心支撑和背部支撑等。 小尺寸反射镜多采用周边支撑， 通过压圈将镜片固定在镜框上。中心支撑方式适合于单拱形反射镜， 多采用中心环定位支撑， 有时辅以背部小平面支撑。 背部支撑通常为背部多点支撑， 有三点、 六点、 九点支撑等，大型反射镜一般采用多点、 多层背部支撑方式[3]。　　由于反射镜的包络尺寸为 φ240 mm， 尺寸不大，所以主反射镜采用周边支撑方式， 为了减轻质量，反射镜支撑结构采用一定形式的轻量化结构。

　　2.2 反射镜组件整体结构

　　反射镜组件由反射镜、 连接环、 支撑框架 3 部分组成。 反射镜背部与连接环内环 3 处胶接， 连接环再通过 3 个螺钉与反射镜支撑框架连接， 最终通过6 个螺钉将反射镜支撑框架与相机框架连接。 反射镜整体结构如图 1 所示.

　　合理的材料选取可以尽量减少材料热特性不匹配带来的影响。 选取比刚度和导热系数较大的碳化硅作为反射镜基体材料， 选取线胀系数与反射镜非　常接近的铁镍合金 (4J32) 作为过渡连接结构的材料，选择比刚度较大、 线膨胀系数较小的钛合金作为间接支撑结构的材料。

　　反射镜组件材料的性能如表 1 所示。

　　反射镜组件的有限元模型如图 2 所示。

　　通过有限元分析， 在力学环境下， 反射镜面形精度可以达到成像质量要求; 而在热环境下， 反射镜面形严重超差， 不能达到光学成像要求。 这是由于反射镜材料与支撑的金属材料线膨胀系数不一致，镜上， 造成了温度应力对镜面面形精度的影响。 综上所述， 仅从材料匹配上考虑， 并不能满足面形要求， 必须加入合理的柔性环节来更好地消除温度变化的影响， 从而保证热环境下反射镜的面形精度。