反射镜机械结构挠性支撑方案的研究

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【摘 要】对某型反射镜的支撑进行了研究，提出了单点挠性的概念，并对具体结构进行了细致的研究。工程分析表明，这种支撑可以很好地保证了反射镜在静力学、热环境下镜面具有较高成像质量，而其支撑自身在一定的动态环境下不会破坏。这种支撑结构不仅具有的静态、动态的尺寸稳定性，而且重量较轻，适合在重量要求较严的大视场空间遥感器中使用。

【关键词】光学反射镜；工程分析；尺寸稳定性

小型空间遥感器由于其体积小、重量轻、安装简单的特点，在目前空间光学观测仪器中，仍扮演重要的角色，尤其是采用较大视场的小型空间遥感器更具有广阔的发展前途。小型空间遥感器为了实现大视场，需要扩大反射镜的通光孔径，如采用推扫的工作模式，小型长条反射镜是很好的选择。一方面它可以满足大市场的要求，另一方面可以实现重量较轻、体积较小的特点。光学反射镜成像表面的面形精度（PV值和RMS值）是影响空间光学遥感器光学系统成像质量的关键因素（对于成像光学系统要求反射镜面型精度PV≤63.2nm，RMS≤12nm）。在重力环境下反射镜容易受重力作用导致变形，而环境温度变化的环境下，镜面也会发生变形，这些变形会导致成像质量下降。如何使反射镜在力学环境工况下满足面形设计指标要求的同时，在空间热环境工况下也能达到成像要求的面形精度，就需要对反射镜的支撑结构进行合理的设计。

本文对450mm×150mm长条反射镜的挠性支撑进行了研究，提出了单点挠性支撑，并对具体结构进行了细致的研究。反射镜采用反应烧结SiC材料，以保证镜体自身刚度。工程分析表明，这种支撑可以很好地保证了反射镜在静力学、热环境下镜面具有较高成像质量，而其支撑自身在一定的动态环境下不会破坏。

1.反射镜镜体结构设计及支撑方案的确定

对于反射镜的支撑，采用三点支撑是最合理的手段，但对于细长条反射镜，三点支撑受面积的制约难以展开，由此，450mm×150mm长条反射镜拟采用单点支撑。

反射镜采用单点支撑具有一定的优势：

（1）在反射镜组件调试时，三点支撑或多点支撑会受支撑结构工艺误差、装调方案的影响产生一定不平衡作用力或力偶，这些都会使反射镜变形而导致一定程度的像差。而单点支撑的反射镜虽然也易受外界作用力的干扰，但由于力臂较短，对反射镜影响也相对有限。

（2）单点支撑时，当环境温度变化时，支撑结构的变形相对简单（即不会由于多点支撑热变形产生互相干涉），此时反射镜受支撑结构不均匀热应力的影响会大大降低。

单点支撑虽然具有一定的优势，但弊端也很明显。主要是由于支撑刚度的不足，在重力的作用下，容易产生变形，影响成像质量。所以在设计支撑方案时，首先必须保证镜体具有较高的结构刚度，重力变形较小，减小对结构的依赖性；其次是尽量降低重量，提高支撑结构的动态可靠性。

2.挠性支撑结构设计

为了使温度变化下反射镜面形精度达到使用要求，设置一定程度的柔性环节是必要的。根据细长条反射镜的宽度较小基本特点，采用中心挠性支撑。主要是通过设置中心对称的径向变形弹性薄片，以适应反射镜的热变形。图2中，T型块将反射镜与弹性薄片分别连接起来，起到过渡作用，T型块必须采用与反射镜线胀系数相匹配的铟钢材料制作，弹性薄片则可以采用强度较高的钛合金材料制作。最后弹性薄片再通过过渡角板与外界固定连接，两者的过渡需要有狭缝过渡。

当反射镜由于温度变化产生膨胀或收缩时，弹性薄板则受弯矩作用，当薄片的刚度合适时，薄片变形吸收绝大部分反射镜的变形能量，此时反射镜能够做到部分自由变形。

3.反射镜挠性支撑结构工程分析

将支撑具体结构划分为有限元模型，进行各种静态和动态环境下结构稳定性分析。

工程分析主要包括以下几个方面的内容：动态刚度分析（模态分析）、结构强度分析以及静力学分析。

通常来说，动态刚度分析主要针对整机进行模态分析，但由于理论近似计算所得的最高模态并不高，所以还应对系统及其组件级进行模态分析，考察一阶固有模态是否会与遥感器卫星载体一阶固有模态重叠或相近。当组件级的模态与载体相近时，必须进行结构改进。另外通过模态分析，为静态结构尺寸稳定性结构优化找到薄弱环节。

结构强度分析主要是估算支撑结构抵抗低频振动能力，主要是通过在一定频率和振幅的振动作用下，考察反射镜镜体的加速度的输出，并计算相应的放大倍率。同时还需要计算支撑部件，尤其是弹性薄片的最大应力分布，考察抗振性安全系数。

4.结论

通过对450mm×150mm长条反射镜的单点挠性支撑方案进行的研究表明，这种支撑方案在保证系统结构具有高静态刚度、高动态强度的同时，反射镜具有良好的热尺寸稳定性，满足了成像质量要求。而整个反射镜组件重量只有4.5Kg，所以很适合在轻型空间遥感器中应用。

参考文献：

[1] 姜景山. 空间科学与应用[M]. 北京：科学出版社， 2001.

[2] 赵立新. 空间太阳望远镜的热设计和热光学分析[J]. 航天返回与遥感， 2002，3， vol 23（1） ：11-1

作者简介：

薛军（1977-），男（汉族），吉林梅河口人，中国人民装甲兵技术学院机械工程系讲师硕士，主要从事机械制造及其自动化、空间光机结构CAD/CAE方面的研究。

基金项目：

国家863基金资助项目（863-2-5-1-13B）