大口径纹影系统主反射镜装调结构分析与设计.pdf

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1、第27卷第2期深圳大学学报理工版V01．27No．22010年4月JOURNALOFSHENZHENUNIVERSITYSCIENCEANDENGINEERINGApr．2010文章编号：1000—2618(2010)02—0162—05【光电与信息工程】大口径纹影系统主反射镜装调结构分析与设计孙威，李泽仁，汪伟，桑永生，郭江建(中国工程物理研究院流体物理研究所，绵阳621900)摘要：研制纹影测试系统中大口径主球面反射镜的装调结构．利用有限元法，对有效通光口径直径为800mm的主镜进行应力和面变形分析．采用断裂几率预测法校核玻璃机械强度，通过优化得出反射镜面变形的

2、均方根(rootmeansquare，RMS)，以此为依据，设计出满足系统技术要求的主镜装调结构．关键词：仪器仪表技术；纹影测试系统；大口径反射镜；钢带支撑；机械强度设计；镜面变形中图分类号：TH741．4；TH122文献标识码：A纹影技术是流场显示和测量的经典光学方法，形布置，狭缝和刀口装置分别位于两个主球面反射其基本原理是利用光在被测流场中的折射率梯度正镜的焦平面上，光源经聚光镜会聚在狭缝上，由狭比于流场气流密度进行测量，已广泛用于观测气流缝限制照明光源大小，经两次反射折转，得到平行的边界层、燃烧、激波、气体内冷热对流以及风洞光通过风洞窗口照明流场区，再经主球面

3、反射镜将和水洞流场等领域¨引．在超高风洞纹影系统中，狭缝成像于其焦平面的刀口之上，与此同时，流场主反射镜的面形精度对系统像质影响很大，为得到经主球面反射镜及照相物镜成像在相机的像面上．良好的纹影图像，设计中要求变形后镜面的均方根采用这种“z”字形布置的结构，可减少因轴外光(rootmeansquare，RMS)小于A／40(A=633nm)．线成像造成的彗差和像散，从而提高系统的成像质而引起镜面变形的原因有很多，~HJ,b界环境的温度量．分布、材料内部的残留应力、镜体的装调方式及装夹应力、自身重力及光轴安装方向等因素．对于大口径反射镜，不同的装调方式会对镜体的应力分

4、布和镜面变形产生很大影响，合理装调结构能很好地保证镜面的面形精度，使其对像质的影响降到最小．本研究针对国内最大的高超声速风洞纹影测试系统(有效通光口径西=800mm)，分析支撑方式图1反射式纹影系统示意图对主反射镜应力分布和面形变化的影响，校核主镜Fig．1Opticalarchitectureof玻璃的机械强度，通过理论计算和优化设计，得出reflectiveschlierensystem反射镜面变形的RMS值，并以此作为依据，设计出满足系统设计要求的主镜装调结构．主球面反射镜是纹影系统的关键部件，其口径=840mm。质量为156．8kg，中心厚度为1101纹影系

5、统光路结构mm．主镜面形质量直接影响系统的成像质量．由于自身的重力作用，这样大口径反射镜的支撑方式如图1，西=800mm高超声速风洞纹影测试系所产生的面形变化不可忽略，必须选择恰当的支撑统采用反射式光路结构．反射式光路采用“z”字方式才能避免其影响．收稿日期：2010—03-19基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2008C062200)作者简介：孙威(1986一)，男(汉族)，江西省九江市人，中国工程物理研究院硕士研究生．E-mail：sws1．china@gmail．COrn通讯作者：李泽仁(1961-)，男(汉族)，中国工程物理研究院研究员、博士生导师．

6、E—mail：zerenl09@21cn．com第2期孙威，等：大口径纹影系统主反射镜装调结构分析与设计163注意的是，钢带的宽度不应超过反射镜的中心厚度2主镜装调结构分析日，且钢带与反射镜的接触位置也不应超过反射镜面顶点0的高度．所以，本文取W=90mm，B=设计主镜装调结构需考虑选择合适的支撑方101．38mm(<110ram)，此时钢带关于反射镜的式，不同的支撑方式将使主镜产生不同的应力分布重心线G对称分布．和面形变化．对于光轴水平放置的大口径反射镜的安装J，常用的支撑方式有V形、吊带式支撑及这钢带两种支撑方式的改进形式．由于V形支撑方式将产生较大的应力集中，

7、不适合大口径反射镜的支撑，我们最终选择典型的钢带式支撑方式，此时镜体的重力分布在钢带与镜体接触的圆周面内，应力分布较均匀．针对主反射镜的这种装调结构，本研究采用有限元方法，分析主镜的应力分布和面形变化，图3钢带和反射镜的支撑示意图Fig．3SuppoSingschematicdiagram以满足系统的设计要求．ofsteelbeltandmirror2．1主镜的有限元模型主反射镜的实际尺寸及有限元模型如图2．图Schwesinger对光轴水平放置的反射镜的安装2(a)为反射镜面的正视图，反射镜面的中心部分做出过经典分析．我们在不考虑钢带与反射镜之间采用方形区域划