长条形空间反射镜组件轻量化结构设计

Qu Huidong1,Wei Jiali1,Dong Deyi2,Hu Haifei2,Guan Yingjun1*
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Changchun University O f Technology, Changchun 130012, China; 2. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy o f Sciences, Changchun 130033, China)
文 中 针 对 某 700 mm><249 mm 口径长条形空间反 射 镜 研 制 任 务 ，开 展 了 反 射 镜 及 其 支 撑 结 构 设 计 。 重 点 研 究 反 射 镜 支 撑 点 数 、支 撑 点 位 和 支 撑 结 构 安 装 位 置 对 反 射 镜 面 形 精 度 的 影 响 ，以期为长条形 空间反射镜的结构设计与优化提供相关参考和借 鉴 。所设计的长条形空间的设计指标要求反射镜面 形 精 度 尸 F矣63.3 nm、 矣12.6 nm; 反 射 镜 质 量 不 超 过 10 kg,组 件 质 量 不 得 大 于 22 kg,组件基频不低 于 100 Hz。
1 反射镜轻量化设计
1.1 反射镜材料选择 目前，可 用 于 空 间 反 射 镜 的 常 用 材 料 有 熔 石 英 、
微 晶 玻 璃 、超 低 膨 胀 玻 璃 、铝 、铍 、硅 、碳 化 硅 以 及铝基碳化硅复合材料等。反射镜材料的选择主要 考 虑 其 抵 抗 受 力 和 受 热 变 形 的 能 力 ，因此需要综合 考查材料的力学性能与热性能。 一 般通过比刚度 (£/p) 和 导 温 系 数 (A/a) 分 别 表 征 材 料 的 力 、热 性 能 ， 在 材 料 比 刚 度 与 导 热 系 数 等 权 重 的 情 况 下 ，采用综 合 品 质 因 子 综 合 评 判 材 料 性 能 ，材料的综合品质因 子 等 于 (£/p)x(A/«)A 常 用 反 射 镜 材 料 的 综 合 品 质 因 子 见 表 U 按 照 材 料 的 综 合 品 质 因 子 评 价 ，材料性能 优 劣 依 次 为 SiC、硅 、铍 、微 晶 玻 璃 、铝 和 熔 石 英 。 另外，材 料 的 光 学 可 加 工 性 、成本以及购货渠道也是 需 要 考 虑 的 因 素 。综 上 考 虑 ，选 用 RB-S iC 作为反射 镜 基 体 材 料 ，虽 然 S iC 的 密 度 与 其 他 材 料 相 比 最 大 , 与 除 铍 之 外 的 其 余 材 料 相 比 差 距 并 不 悬 殊 ，但从另 一 角 度 对 比 发 现 S iC 具 有 最 高 的 弹 性 模 量 ，综合考 量 ，相 对 于 其 他 几 种 材 料 ，S iC 具 有 很 高的比刚度，这 意 味 着 制 造 相 同 的 反 射 镜 采 用 S iC 材 料 可 以 更 大 程 度地提高反射镜的轻量化率。
20200404-1
第6期红外与激光工程 来自第 50卷the load conditions of self-weight and 5 XI temperature rise, the maximum Peak Value (PV) and Root Mean Square (RMS) of the mirror surface reach 58.2 nm and 12.3 nm;the first-order natural frequency of the mirror assembly is 259 Hz, and the maximum stress response of the flexible support under the condition of lowfrequency sinusoidal sweeping vibration is 138 MPa.Finally,a kinetic test was carried out.The test results show that the first-order natural frequency of the mirror assembly is 255 Hz, and the finite element analysis error is 1.7%. Analysis and test results show that the design of the mirror assembly is reasonable and meets the design index requirements. Key words: rectangular mirror; lightweight; finite element analysis; dynamic test
〇 引言
离 轴 三 反 光 学 系 统 因 无 中 心 遮 拦 ，易于实现大 视 场 、长 焦 距 、高 分 辨 率 和 结 构 紧 凑 ，被广泛应用于 空 间 光 学 领 域 [u。离 轴 三 反 光 学 系 统 一 般 含 有 长 条 形 反 射 镜 ，使 用 推 扫 或 摆 扫 的 形 式 实 现 大 视 场 成 像 。随 着 离 轴 三 反 光 学 系 统 的 广 泛 应 用 ，对长条形 反 射 镜 结 构 及 支 撑 技 术 的 研 究 也 备 受 关 注 ，大 口 径 、 轻量化和高面形精度成为空间反射镜的发展趋势与 研究重点。
收稿日期: 2 0 2 0 - 1 0 - 1 9 ; 修订日期:2021 -0 3 -0 4 基金项目: 国家自然科学基金（11873007,12073028);中央引导地方科技发展基金(202002035JC) 作者简介: 曲慧东，男，硕士生，主要从事空间光学遥感器结构优化设计方面的研究。 导师(通讯作者)简介: 关英俊，男，教授，博士生导师，博士，主要从事空间光学遥感器结构优化设计方面的研究。
一 直 以 来 ，大 多 研 究 都 是 围 绕 圆 形 空 间 反 射 镜 ， 对 长 条 形 反 射 镜 的 设 计 缺 少 相 关 经 验 公 式 。李志来 等121对 口 径 为 660 mmx300 mm的长条形反射镜的轻 量 化 及 支 撑 结 构 进 行 详 细 设 计 ，反射镜在光轴方向 的重力工况下面形P V 值 为 28.9 nm，RM S值 为 7.6 nm。 针对长条镜背部支撑点设置缺乏有效方法的问题， 朱俊青等[31采用参数化设计方法,确定了 口径在200~ 1600 mm、长 宽 比 在 1~2.5之 间 的 S iC 反射镜支撑点 最佳位置和最优径厚比。现阶段国外轻量化反射 镜 的 面 密 度 已 可 达 到 小 于 丨 Okg/m2, 实 现 了 超 轻 量 化[4】。Gaia卫 星 上 主 反 射 镜 口 径 为 1500mm><560 mm, 采 用 反 应 烧 结 S iC 材 料 ，背 部 开 放 式 的 三 角 形 轻 量 化 结 构 ，反 射 镜 质 量 仅 40 kg, 面 形 精 度 RMS优于 20 nm|5]。国内关于反射镜轻量化也进行了大量卓有 成 效 的 研 究 。翟岩等[61设 计 了 0776 mm的铍铝合金 反 射 镜 ，轻 量 化 率 达 到 89.3%。相 萌 ^对 长 条 形 反 射 镜 采 用 拓 扑 优 化 方 法 实 现 轻 量 化 设 计 ，轻量化率达 70.1%。李梦庆m 对丨200 mmx484 mm长条反射镜进 行 轻 量 化 设 计 ，轻 量 化 率 达 7 5 % 。 因为拓 扑 优 化 设 计 方 法 的 发 展 及 应 用 ，反 射 镜 的 轻 量 化 设 计 得 以 进 一 步 发 展 ，但 是 对 于 长 条 形 反 射 镜 的 径 厚 比 、支撑点 数和支撑点位等仍然缺乏普遍适用的设计依据。
摘 要 ：针 对 某 700 mm><249 m m 长 条 形 空 间 反 射镜组件结构设计要求，对反射镜及其支撑结构进行
了 详 细 的光机结构设计。首 先 ，从 反 射 镜 材 料 选 择 、径 厚 比 、支 撑 方 案 及 轻 量 化 形 式 等 角 度 出 发 ，对反
射 镜 进 行 结 构 设 计 。通过理论计算得到长条形反射镜的支撑点数。对支撑点位进行了优化，并探索了
第 50卷第6 期 V〇1.50 No.6
红外与激光工程
Infrared and Laser Engineering
2021年 6 月 Jun. 2021
长条形空间反射镜组件轻量化结构设计
曲 慧 东 \ 魏 加 立 \ 董 得 义 2,胡 海 飞 2,关 英 俊 ”
(1.长 春 工 业 大 学 机 电 工 程 学 院 ，吉 林 长 春 130012; 2 . 中 国 科 学 院 长 春 光 学 精 密 机 械 与 物 理 研 究 所 ，吉 林 长 春 130033)
结构 设 计 合 理 ，满 足 设 计 指 标 要 求 。
关 键 词 ：长 条 形 反 射 镜 ； 轻 量 化 ； 有限元分析； 动力学试验
中 图 分 类 号 ：TH703; V 443.5
文 献 标 志 码 ：A
D O I：10.3788/IRLA20200404
Lightweight structural design of rectangular space mirror assembly
限 元 分 析 ，自 重 和 5 尤 温 升 载 荷 工 况 下 ，反 射 镜 面 形 精 度 峰 谷 （ Peak Valley,PV) 值 和 均 方 根 （ Root
Mean Square,RMS) 值 最 大 分 别 达 到 58.2 nm 和 12.3 nm;反 射 镜 组 件 一 阶 固 有 频 率 为 259 Hz,低频正
支撑孔位对反射镜自重变形的影响规律。其 次 ，为满足反射镜组件的力、热环境适应性要求，设计了一
种 新 型 柔 性 支 撑 结 构 ，并 给 出 了 柔 性 铰 链 薄 弱 环 节 对 反 射 镜 面 形 精 度 的 影 响 ；对支撑结构安装位置深
度 进 行 优 化 ，给 出 反 射 镜 面 形 精 度 关 于 支 撑 结 构 安 装 位 置 的 变 化 曲 线 。然 后 ，对反射镜组件进行了有
弦 扫 描 振 动 条 件 下 柔 性 支 撑 最 大 应 力 响 应 为 138 MPa。 最 后 ，进 行 了 动 力 学 试 验 测 试 。测 试 结 果 表
明 ，反 射 镜 组 件 一 阶 固 有 频 率 为 255 Hz,有 限 元 分 析 误 差 为 1.7%。分 析 和 试 验 结 果 表 明 ，反射镜组件
Abstract: According to the structural design requirements of a 700 mm><249 mm rectangular space mirror assembly, the mirror and its support structure were designed in detail. First of all, from the perspectives of material selection, diameter-to-thickness ratio, support scheme and lightweight form, the structure design of the mirror was carried out. The number of support points of the rectangular mirror was obtained by theoretical calculation.The support points were optimized,and the influence of the support holes on the deformation of the mirror's weight was explored.Secondly,in order to meet the requirements of the force and thermal environment adaptability of the mirror assembly,a new type of flexible support structure was designed,and the influence of the weak link of the flexible hinge on the surface accuracy of the reflector was proposed;the position of the support structure was optimized, and the change rule of the reflector shape accuracy with respect to the position of the support structure was proposed.Then the finite element analysis of the mirror assembly was carried out.Under