大口径反射镜结构参数优化设计.pdf

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1、2011年8月中国空间科学技术77篁!塑篁垒!望竺!呈童望呈!呈兰!!竺旦!呈量里垒!呈呈垒坠呈!皇曼兰；大口径反射镜结构参数优化设计杨佳文黄巧林(北京空间机电研究所．北京100076)摘要空间光学遥感器分辨率要求的不断提高使其主镜口径也在不断增大，从而对主镜进行轻量化设计就成为空间大口径反射镜工程的关键技术。该文介绍了一种对反射镜轻量化结构进行优化设计的方法，利用MSC．Patran软件建立了蜂窝夹芯反射镜的参数化模型；对反射镜的各结构参数进行了灵敏性分析，得到了各参数对反射镜面形精度的影响曲线；根据反射镜的加工工

2、艺，合理地确定结构参数的变化范围，利用正交分解法进行参数优化。关键词大口径反射镜灵敏性分析参数优化空间相机DoI：10．3780／j．issn．1000-758X．2011．04．011引言随着对空间相机地面幅宽和分辨率要求的不断提高。长焦距、大视场和大通光1：3径已经成为当前空间相机发展的必然趋势，而光学主反射镜VI径的不断增加对结构轻量化和稳定性的要求也越来越苛刻。主镜在轻量化后，虽然比刚度在增加，但结构绝对刚度却在下降，镜面对支撑应力的敏感度也在迅速增大，这在一定程度上会降低主镜的面形精度。因此。如何设计轻量化

3、大口径反射镜，使其在满足面形精度要求的条件下，最大限度地提高轻量化率，是实现空间光学遥感器成功研制的关键技术之一。目前。反射镜轻量化实现途径主要有三个方面：1)选用新型、性能优良的材料和工艺，使反射镜的力学及热性能最佳⋯。但到目前为止，还没有一种材料能够同时达到最佳性能。因此·必须根据具体的应用条件。选择适合的反射镜材料和工艺。2)选择新型的超薄反射镜技术，利用超薄镜直径厚度比大、易受各种外界因素影响的特点。依靠支撑镜面的几十到几百个促动器和传感器来控制镜面达到所需的面形精度‘2l。但超薄镜支撑技术的研制工程大、耗资

4、高·技术还不够成熟。3)选择有效的轻量化结构并确定最优的结构参数¨]，这是在现有的材料和工艺基础上提高反射镜轻量化程度最实际有效的途径。蜂窝夹芯轻量化结构反射镜较其他轻量化结构的反射镜在相同的刚度和强度下轻量化程度更高，目前对蜂窝夹芯反射镜的轻鼍化设计多采用拓扑优化法或有限元软件法。在此基础上若能分析出各结构参数对面形精度的影响曲线，则能够进一步提高反射镜的轻最化率。使设计结果更加科学合理。本文基于这样的思考。对反射镜结构参数进行了优化分析，得到了反射镜结构参数对面形精度的影响曲线和灵敏性曲线。以期优化出满足性能要求

5、的、轻量化程度高的反射镜。收稿口期一2010—10-22．收修改稿I

6、期t2011·03-1478巾国空问科学技术2大口径轻黾化反射镜结构优化设计流程目前对反射镜的轻量化方法的研究主要包括以下几个方面：1)比较和选择各种轻量化孔的形状以及背部足否封闭。“，这方面的研究已经较为成熟。2)借助有限元软件对反射镜进行拓扑优化，存拓扑优化结果的基础上阿进行外形和尺寸的局部优化⋯。这种方法没计山的反射镜轻量化程度更高，结构更合理，但由于拓扑优化考虑了．很多实际加工参数及可操作忭等囚素，加深了反射镜轻量化设计的复杂度和可实现性，

7、日前还处在进一步研究阶段。3)借助有限元软什，利川一定的优化算法对反射镜进行外形和尺寸优化。6。本文结合r程应川．在第3种轻量化方法的基础r，提出了一种反射镜结构优化设计流程(见【利1)。这样的结构优化流程4i仅能够有效地避免不同环节问的反复优化过程．还可以明确反射镜面形精度对各结构的灵敏度．根据疋敏度的高低确定不同参数的优化步长，从而提高优化计算的效车。3大121径轻量化反射镜结构优化优化对象为外径l300ram，巾心口径390mm的蜂窝夹芯反射镜，初始背部形状为平背型，材料为超低热膨胀系数玻璃(UI。E)。定义光

8、轴水平方向为反射镜光轴与地面平行。设计要求反射镜光轴水平状态F的面形精度的均方根(RMS)值不大干0．025,1(^=633nm)、波峰波谷(PV)值不大于0．175A、反射镜质量不大于150kg、轻量化率大于75％、主镜一阶频率不小于150IIz。蜂窝夹芯反射镜结构示意图如图2所示。其结构参数包括：前面板厚度、后面板厚度、主镜厚度、蜂窝芯子壁厚、蜂窝芯子边长、内环厚度、外环厚度、后面板曲率半径。3．1反射镜支撑位置优化确定反射镜轻量化形式反射镜支撑位置优化灵敏性分析参数优化足否T是l最佳反射镜ll轻量化结构J罔l反

9、射镜结构优化流程Fig．1Structureoptimizationprocessformirror图2蜂窝夹芯反射镜结构示意图Fig2MIrrorwlthhoneycomb蚰ndwI’nstructure传统的支撑方式为框式支撑．它叮以使反射镜在光轴水平和光袖竖直两种状态下均达到较好的面形精度．但随着反射镜VI径的增大，框式支撑质鼍大的缺点变