某接觸型空間反射鏡的結構設計與分析

付亮亮+何欣+王忠善

摘要： 為檢測空間小型凸非球面反射鏡，設計了一種適合其檢測的結構。由于需要透射式檢測，材料選擇有局限性，首先優選反射鏡材料，然后優選反射鏡支撐方案，并對反射鏡定位原理進行詳細分析。在設計此反射鏡組件時特地添加了阻尼環節及柔性環節，以減小裝配應力、熱應力及動力學響應，并重點而透徹地分析了裝配方法，且對該反射鏡組件進行了模擬工程分析。分析結果滿足指標要求，該方案設計合理可行。

關鍵詞：

空間多光譜相機； 次鏡； 周邊支撐； 工程分析

中圖分類號： V 1 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.005

文章編號： 1005-5630（2016）03-0216-05

Abstract： For a small convex spherical mirror，due to the requirement of transmission-type testing，material selection is limited. The mirror material is firstly selected，then mirror support scheme is optimized.The detailed mirror positioning principle is analyzed，when specially adding damping and flexible components to reduce the assembly stress，thermal stress and dynamic response，and the key assembly method is thoroughly analyzed.This mirror component is simulated by using engineering analysis.The analysis results completely meet the requirements of indicators and the design is reasonable.

Keywords： the space remote sensor； secondary mirror； peripheral support； finite analysis

引 言

多光譜成像技術在航空航天領域里通常被用做遙感平臺，對地面進行探測，其中多光譜相機有著巨大的潛力和應用前景[1]。本文研究的是某空間多光譜相機的次鏡，空間多光譜相機的光學系統中的次鏡組件為一重要的光學元件，其結構設計的優劣與成像質量息息相關。一個優質反射鏡支撐結構不但能夠保證反射鏡的支撐剛度，而且能夠實現與反射鏡鏡體的熱學匹配，從而使各種工況下反射鏡的面形精度都達到指標要求。本文針對反射鏡鏡體及其支撐結構設計方案進行了較為系統全面的分析，結合實際工程科研項目，利用現代的設計方法（計算機輔助優化設計），且應用線性分析方法代替非線性分析方法，研究并優化出一種穩定、結構尺寸緊湊、質量輕、比剛度大的反射鏡柔性結構支撐組件方案，選擇適合于空間且符合實際要求應用的光學及結構材料，目的在于保證整個光學系統能夠長期具有十分穩定的成像質量。

本文研究的次鏡有效通光孔徑為105 mm×90 mm的長方形小口徑凸非球面反射鏡，曲率半徑為478.89 mm。要求面形精度小于1/50λ（λ=0.632 8 μm），反射鏡組件質量小于2.2 kg，環境溫度變化為±15 ℃。

1 結構設計

1.1 反射鏡鏡體及支撐材料的選取

反射鏡鏡體材料的選擇主要考慮材料的光學可加工性能、材料的力學性能以及材料的穩定性、安全性及物理性能等重要因素[2]。需要選用比剛度大、導熱率高而線膨脹系數小的材料。由于次鏡為凸非球面反射鏡，考慮到非球面加工及檢測時需采用背部透射式檢測方法，所以所選光學材料范圍較小，常用的可以采用透射式檢驗方式檢測的反射鏡鏡體材料性能指標見表1。

對比表中兩種反射鏡材料，熔石英明顯具備優秀的比剛度、導熱率及線膨脹系數指標，是空間相機反射鏡組件理想的鏡體材料。其材料的優點是比剛度較高、線膨脹系數小、均勻性好、便于光學加工且面形拋光效率高[3]，已經非常廣泛地應用于空間多光譜相機的光學元件中。

解決反射鏡組件適應溫度環境變化的關鍵是鏡體材料與支撐材料間的熱匹配和熱變形補償能力，在選擇與次鏡鏡體直接接觸的支撐結構材料時，特地選擇線膨脹系數與反射鏡的線膨脹系數一致的適用于空間環境條件的材料[4]，則均勻的溫度變化就不會引起反射鏡面的畸變；與次鏡鏡體非直接接觸的支撐結構材料則選用線膨脹系數較小，也適用于空間環境條件的高比剛度且穩定性高的材料。常用的反射鏡支撐結構材料見表2。

對比表2數據，銦鋼有與反射鏡材料最接近的線膨脹系數，且比剛度較高，為了避免材料線膨脹系數不匹配對鏡面面形精度的影響，與熔石英鏡體直接接觸的結構材料選用線膨脹系數經過特殊匹配的合金材料，即線膨脹系數為0.38（10-6/K）的定制銦鋼材料，其他支撐結構材料則選用線膨脹系數相對較小，比剛度相對較高的鈦合金材料。然而單單從材料的線膨脹系數匹配方面來消除由環境溫度變化造成的鏡體面形精度的下降是不夠的，還要通過選用合適的支撐結構，來進一步減小外部環境因素等變化對反射鏡鏡體面形精度的影響。

1.2 支撐方式的選取

反射鏡周邊支撐方式較復雜，一般將反射鏡放置在周圍相對封閉的鏡框之中，根據六自由度完全定位原理，在反射鏡框的內腔形成了六個定位面，各定位面均要有很高的平面度。在封閉鏡座中裝入反射鏡，各定位面均與反射鏡體完全接觸，在各定位面對應的另一面，反射鏡的移動靠彈性的壓片限制，采用壓板式固定反射鏡的工作面一端，并修研壓板，以保證壓板與反射鏡結合面零間隙，如圖2所示，中小口徑的反射鏡也可以采用此種支撐方式。反射鏡組件與框架等的連接點應盡量遠離反射鏡工作面，以消除由反射鏡鏡框的裝配應力引起的鏡面變形，通過整體式鏡框來支撐反射鏡鏡體，在反射鏡組件與相機主框架連接處設置適當的應力釋放的柔性環節，避免外部環境溫度變化和系統裝配等產生的應力對鏡面面形的影響。為保證反射鏡鏡體可靠固定，提高反射鏡組件的抗振性能，可以考慮在內部加入適當的阻尼環節。次鏡采用熔石英材料且次鏡鏡面外凸，在非球面加工、檢測時需透射測量，因此次鏡鏡背磨成高精度平面，且不能做輕量化設計。由于空間的限制，次鏡的外形尺寸設計成105 mm×90 mm×20 mm。根據次鏡的結構特點，采用周邊支撐的方案。但當環境溫度變化時容易存在熱應力，因此，對此方案進行優化。