空间天文仪器中的铍镜结构优化设计分析

    0 引 言

    空间太阳望远镜（SST）主镜口径为 Φ 1 m，空间分辨率为 0.1″ ，预计发射到距地表 730 km 的太阳同步轨道运行^[1]。 SST 模型如图1 所示。 为了校正由于卫星姿态抖动造成的图像运动模糊， 以获取高分辨率图像^[2]，在 SST 主光路中引入相关跟踪系统， 其中摆镜是系统中主要的光学元件， 其综合性能的优劣会直接影响系统性能。 摆镜的综合性能也受反射镜材料、镜体结构等因素的影响，因此，研制综合性能优异的摆镜对于提高相关跟踪器的性能有着重要意义^[3]。 相关跟踪系统工作原理如图 2 所示。

    根据相关跟踪系统的需求，完成了国内第一面高精度的、工作在可见光波段的铍镜研制。 同时利用改进遗传算法组合优化方法完成了摆镜结构优化设计改进，进行了横、纵向对比分析，通过改进遗传算法组合方法得到了更优化的铍摆镜结构。

    1 铍镜研制

    根据空间反射镜材料优化研究，确定了摆镜材料为金属铍^[4]。 经过摆镜结构优化与分析 ， 进行了铍镜(Φ 84 mm)研制 。 首先利用冲击研磨工艺制得铍粉 ，再利用热等静压工艺和机械加工得到铍镜镜坯，并完成了镜坯的力学性能检测。 考虑到金属铍的毒性，且其不能直接作为光学表面，采用化学镀镍的方法对镜坯基体镀覆镍磷合金过渡层，然后通过光学加工得到铍镜，如图 3 所示。 采用 ZYGO 干涉仪完成镜面面形精度检测，RMS：0.012λ，PV：0.114λ（λ=632.8 nm），结果满足技术要求。

    通过相关跟踪器的铍镜研究，掌握了高精度铍镜研制技术路线， 实现了在我国天文仪器中铍镜的应用，也为我国大口径铍镜研制奠定了基础。 但此铍镜采用周边三点装卡，初步光学检测结果表明：装卡处螺栓的预紧力逐渐增大，镜面面形精度逐渐降低，这影响铍镜的使用性能。 为此，有必要优化铍镜结构、改进支撑设计。

    2 摆镜结构优化方法

    2.1 摆镜结构优化的数学模型

    影响铍镜面形精度的主要因素有：

    (1) 铍镜光学加工工艺水平；

    (2) 镜体结构刚性优劣；

    (3) 摆镜的夹持方式；

    (4) 夹持力的大小。

    当铍镜光学加工完成后， 镜面的面形精度就与铍镜的结构、支撑等因素相关，因此，需要重点对摆镜结构与支撑进行优化。

    摆镜结构优化需要对结构参数化，将待优化的结构用参数即优化设计变量来表示。 此摆镜结构的参数优化是典型的多变量约束寻优问题， 利用 ANSYS 中的参数化设计语言(APDL)对摆镜及支撑进行参数化编程，把摆镜的面形精度 RMS 作为寻优的目标函数，而把摆镜的镜面厚度、内圈厚度、外圈厚度、支撑位置、筋板厚度等参量定义为设计变量，摆镜质量定义为状态变量。 其中，目标函数和状态变量都是设计变量的函数。 设计后进行强度校核。 摆镜结构参数优化数学模型表示如下：