1.2mSiC主镜轻量化设计与分析

　　1　引　言

　　随着科学技术的发展,人们希望建造更大口径的望远镜,从而对望远镜的主镜提出了更高的要求,其材料的选取、支撑方式、是否轻量化等不但直接决定着望远镜的分辨率等性能,而且影响系统的力学特性、热稳定性、制造难度和成本等。因此,主镜的设计成为大口径望远镜设计中的一个关键技术。如果采用实心镜体形式,则主镜的质量就会很大,这样主镜室以及跟踪架甚至整个望远镜的重量就会大幅增加,增加了控制难度和制造成本。为了减少主镜口径增大带来的重量增加、自重变形和温度变形的影响,有必要对主镜进行轻量化设计。

　　主镜轻量化的主要途径有机械法、熔铸法、焊接法以及采用轻质材料(如碳化硅)来制造主镜[1]。熔铸法和焊接法可以保证反射镜具有较小的壁厚和质量分布均匀合理的轻量化形式,这两种方法加工出来的结构刚度大,质量比较轻,轻量化率高。机械加工法效率低,存在着内应力[2]。SiC材料具有低变形、高强度、高反射率等优良性能,已经成为制造反射镜的理想材料。大口径主镜制造难度大,以往多利用熔铸技术制造较小的对称的镜片,然后利用钎焊技术将对称的镜片连接到一起,这样不仅简化设计,而且制造方便,容易轻量化[3]。

　　国内对SiC材料的轻量化主镜进行很多研究,长春光机所的郭喜庆对比分析了大口径反射镜几种轻量化孔结构的优劣[1],张舸对轻型反射镜镜体结构参数进行了分析[4];哈尔滨工业大学的吴清彬对镜体的轻量化形式、影响镜体结构设计的因素、镜体结构的优化方法进行了研究[5],韩杰才总结了SiC光学反射镜的发展现状[3]。但是这些研究均是基于天基光学遥感器,口径较小,对于地基大口径SiC主镜的轻量化研究较少。虽然SiC的比刚度较大,容易满足静力学和动力学性能,但是由于SiC材料的热膨胀系数较大,随着口径的增大,温度带来的影响也更加明显。本文为了探索地基大口径SiC轻量化主镜的可行性,设计了一款1.23 m的SiC轻量化主镜,以验证温度对镜面变形的影响。

　　2　主镜材料的确定

　　任何设计必须从工艺性、可加工性、材料本身的性能以及制造成本等方面综合考虑,目前制造主镜的材料主要有微晶玻璃、SiC、熔石英、以及ULE、铍等。一般选择材料的原则是材料具有最大的比刚度和最小的稳态变形系数,但到目前为止,还没有一种材料同时满足上述要求,因此必须根据具体的应用条件,对现有材料进行综合评估,选出在尽可能多的方面满足系统性能要求的材料。

　　从表1可以看出,SiC的比刚度略低于金属铍,但两者的比刚度都远高于其他材料,而且SiC的热物理性能与其他材料相比也是非常优秀的。鉴于目前我所还没有能力制造1.2 m口径微晶玻璃材料的能力,因此,选用了SiC作为1.2 m主镜的材料。