空间反射镜结构轻量化设计

（ ａ）
（ｂ）
图２ 轻量化反射镜 Ｆｉｇ．２ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｍｉｒｒｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
在反射镜背部钻（或者是铸造）孔减重， 其支撑点一般安 排在肋板相交处； （ｂ）是封闭型结构， 反射 镜分为镜面、 中 间 蜂 窝 夹 层 结 构 和 背 板 ３ 个 部 分 ， 也 称 作 “三 明 治 ” 结构。与封闭型结构相比， 开放型结构相对简单， 加工 容易， 但封闭型结构能达到更大的轻量化比。
图 ３ 典型轻量化孔结构
Ｆｉｇ．３ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｈｏｌｅ ｓｈａｐｅｓ
第１期
闫 勇等： 空间反射镜结构轻量化设计
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式下， 反射镜轻量化孔的内切圆半径相等， 镜体采用 连续周边支撑方式时， 反射镜在重力作用下的变形， 相关研究结果如表 １ 所示。可以看出： 采用三角形孔 和正六边形孔的轻量化形式明显优于正四边形孔的 轻量化形式， 而正六边形孔的轻量化效果最佳。
反 射 镜 轻 量 化 孔 的 形 状 主 要 有 三 角 形 孔 、四 边 形 孔 、六 边 形 孔 、蜂 窝 孔 、扇 形 孔 和 圆 形 孔 等 ， 轻 量 化 孔 的疏密程度和布局需按照光学系统对主镜的面形要 求 来 整 体 考 虑 。它 们 的 形 式 如 图 ３ 所 示 。其 中 圆 形 孔 工艺性能好， 易于加工， 但是轻量化率比较低； 扇形轻 量化孔一般应用于带有中心孔的圆形反射镜的轻量 化， 根据其加强筋排布的不同又可分为连续加强筋式 和 断 续 加 强 筋 式 的 轻 量 化 孔 。就 可 加 工 性 能 和 结 构 刚 度而言， 蜂窝形孔的结构刚度最优， 圆形孔的工艺性 最 好 ， 三 角 形 孔 、四 边 形 孔 和 扇 形 孔 的 工 艺 性 相 差 不 多， 三角形孔和六边形孔结构刚度较好， 其中三角形 孔更佳， 但在三角形孔节点处容易形成热结， 所以， 三 角 形 孔 的 热 性 能 不 如 六 边 形 孔［７］。
研究轻量化孔形状对反射镜结构刚性品质的影 响 ， 吸 引 了 许 多 的 研 究 人 员 ， Ｍａｓｅｒ 和 Ｓｏｏｓａａｒ［８］利 用 有 限 元 法 研 究 了 直 径 φ１ ６２０ ｍｍ、厚 度 ３０５ ｍｍ 的 圆 形 轻 量 化 反 射 镜 ， 如 图 ３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所 示 。３ 种 轻 量 化 方
收 稿 日 期 ： ２００７－ ０４－ １８ ； 修 订 日 期 ： ２００７－ ０６－ １４ 基 金 项 目 ： 国 家 ８６３ 计 划 资 助 项 目 （２００６ＡＡ７０１４１０） 作 者 简 介 ： 闫 勇 （ １９８１－ ） ， 男 ， 山 西 离 石 人 ， 博 士 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 空 间 光 学 遥 感 器 光 机 结 构 一 体 化 设 计 及 ＣＡＤ／ＣＡＥ 工 程 分 析 。
是对反射镜简单的轻量化。对称型是背部结构， 采用 与镜面相同的形状， 主要是为了使质心位于几何中 心， 便于支撑； 背部封闭型是一种常用的结构形式； 背 部开放型轻量化率高， 但支撑设计较难； 单拱形背后 周边轻量化， 通常采用背部支撑辅以周边支撑的方 式 ， 双 拱 形 背 后 、周 边 及 中 心 均 采 用 消 减 材 料 轻 量 化 ， 其支撑形式通常以周边支撑为主。
径 ： 浇 铸 成 型 法 、高 温 熔 接 法 或 熔 接 物 封 接 法 和 机 械 钻削减重法。３ 种方法各有优势。前两种方法加工出 来 的 结 构 刚 度 比 较 大 ， 质 量 轻 ， 轻 量 化 率 达 到 ７０％以 上， 可以保证反射镜较高的面形精度。国外一些大口 径 反 射 镜 的 轻 量 化 大 部 分 采 用 这 两 种 方 法 。由 于 国 内 技术水平有限， 熔铸法和焊解法技术还不成熟， 一般 采 用 机 械 加 工 的 方 法 进 行 反 射 镜 结 构 的 轻 量 化 。机 械 钻削法是较早使用的反射镜轻量化方法， 是通过机械 钻削， 将反射镜上不参与光学系统成像部分的材料去 除 ， 以 实 现 反 射 镜 的 轻 量 化 。目 前 常 用 方 法 有 铣 钻 、超 声钻等， 采用计算机控制的铣钻法可以得到加工效率 更 高 、轻 量 化 程 度 更 高 、精 度 更 好 的 反 射 镜 。
平背形反射镜结构简单， 刚度好， 加工、装调方便 ，
早 期 的 空 间 光 学 系 统 主 反 射 镜 多 用 此 种 结 构 。 单 、双 拱
形反射镜也称作“蝶形镜”， 其背部形状随主镜结构的差
异而有所不同， 这种主镜结构建立在实心圆盘型主镜的
基础上， 可以看作是平背形结构的改进， 是反射镜的一
种简单的轻量化， 质量分布较平背形结构更加合理。当
Ｅｍａｉｌ： ｃｃｌｙｙ９１１＠１６３．ｃｏｍ 导 师 简 介 ： 金 光 （ １９５８－ ） ， 男 ， 吉 林 长 春 人 ， 研 究 员 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 空 间 遥 感 器 总 体 研 究 工 作 。Ｅｍａｉｌ ： ｊｉｎｇ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ
杨 洪 波 （ １９６８－ ） ， 男 ， 黑 龙 江 嫩 江 人 ， 研 究 员 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 研 究 方 向 为 光 机 电 集 成 计 算 机 辅 助 工 程 技 术 。 Ｅｍａｉｌ ： ｙａｎｇｈｂ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ
关键词： 轻量化； 反射镜； 空间光学遥感器 中 图 分 类 号 ： ＴＨ７０３； ＴＨ８０１ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １００７－ ２２７６（ ２００８） ０１－ ００９７－ ０５
Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｍｉｒ ｒ ｏｒ
（ａ） 三角形孔 （ａ） Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｃｅｌｌｓ
（ｂ） 四边形孔 （ｂ） Ｓｑｕａｒｅ ｃｅｌｌｓ
（ｃ） 六边形孔 （ｃ） Ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｅｌｌｓ
（ｄ） 圆形孔
（ｅ） 扇形孔
（ｆ） 蜂窝形孔
（ｄ） Ｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｅｌｌｓ
（ｅ） Ｓｅｃｔｏｒ ｃｅｌｌｓ
（ｆ） Ｓａｎｄｗｉｃｈ ｃｅｌｌｓ
第 ３７ 卷第 １ 期 Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１
红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００８ 年 ２ 月 Ｆｅｂ． ２００８
空间反射镜结构轻量化设计
闫 勇 １， ２ ， 金 光 １， 杨洪波 １ （ １．中 国 科 学 院 长 春 光 学 精 密 机 械 与 物 理 研 究 所 ， 吉 林 长 春 １３００３３；
ＹＡＮ Ｙｏｎｇ１，２， ＪＩＮ Ｇｕａｎｇ１， ＹＡＮＧ Ｈｏｎｇ!ｂｏ１
（ １．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９， Ｃｈｉｎａ）
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ； Ｍｉｒｒｏｒ； Ｓｐａｃｅｂｏｒｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｏｒ
０引 言
随着空间光学遥感器地面分辨率的不断提高， 导 致 其 视 场 角 、焦 距 、主 镜 口 径 不 断 增 大 ， 对 其 结 构 轻 量 化和稳定性要求也变得越来越苛刻， 使光学系统在设 计 、加 工 制 造 、总 装 调 试 和 检 测 方 面 的 难 度 越 来 越 大 。 同时， 口径的增大也使反射镜受重力和温度的影响更 加突出， 因此， 针对大口径光学遥感器地面和在轨工 作条件的差异， 设计出合理的轻量化主镜及其支撑结
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红外与激光工程
第 ３７ 卷
选 择 有 效 的 轻 量 化 结 构 并 确 定 最 优 的 结 构 参 数［５］。 此文就是在充分考虑反射镜使用环境的复杂性
和恶劣性的基础之上， 设计最优的反射镜轻量化结 构， 以保证光学系统的像质满足设计和使用要求。
１ 反射镜结构及其轻量化
１．１ 反射镜结构 反射镜结构按其形状可以分为平背形、单拱形、
ｐａｔபைடு நூலகம்ｅｒｎｓ
１０#４ ｍｍ
Ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｍｉｒｒｏｒ ｒｉｇｉｄｙ／
１０ # ４ｍｍ·ｋｇ
Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｃｅｌｌｓ Ｓｑｕａｒｅ ｃｅｌｌｓ
Ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｅｌｌｓ
１４．４４６ １５．２４０ １２．７００
４７１．７ ４４２．３ ４２８．７
５ ８７１ ６ ７４１ ５ ４４４
１．３ 反射镜轻量化形式的优劣 从总体上讲， 反射镜镜体形状的合理选择本身便
２．中 国 科 学 院 研 究 生 院 ， 北 京 １０００３９）
摘 要： 随着空间光学遥感器分辨率的提高， 反射式光学遥感器主镜口径不断增大， 反射镜受微 重力和温度的影响更加突出， 对反射镜的结构进行轻量化设计已经成为空间大口径反射镜工程的关 键 技 术 。从 反 射 镜 结 构 轻 量 化 的 角 度 出 发 ， 对 国 内 外 空 间 光 学 遥 感 器 反 射 镜 的 镜 体 结 构 和 轻 量 化 孔 技 术进行了系统的总结和评述， 分析了轻型空间反射镜技术的现状和发展趋势， 为反射镜的镜体轻量化 设计提供了一定的参考依据和新思路。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｃｅｂｏｒｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｏｒ， ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｍｉｒｒｏｒ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｌａｒｇｅｒ ａｎｄ ｌａｒｇｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｉｒｒｏｒ ｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｅｖｅｎ ｍｏｒｅ ｅｖｉｄｅｎｔ． Ｎｏｗ ｔｈｅ ｍｉｒｒｏｒ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｍｉｒｒｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｐａｃｉａｌ ｍｉｒｒｏｒ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｒｏｕｎｄｌｙ， ａｎｄ ｉｔｓ ａｃｔｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｒｅｎｄ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｓｏｍｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ ｎｅｗ ｉｄｅａｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．
表 １ 轻量化孔对反射镜结构刚性品质的影响 Ｔａｂ．１ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒ ｓ ｏｆ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｃｅｌｌｓ
ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｍｉｒ ｒ ｏｒ ｒ ｉｇｉｄｌｙ
Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｃｅｌｌ
ｓｅｌｆｗｅｉｇｈｔ／ Ｍｉｒｒｏｒ ｍａｓｓ／ｋｇ
双 拱 形 、双 凹 形［６］， 如 图 １ 所 示 。
（ａ） 平背形 （ ａ） Ｐｌａｎｏ ｃｏｎｃａｖｅ
（ｂ） 单拱形 （ ｂ） Ｓｉｎｇｌｅ ａｒｃｈ
（ｃ） 双拱形
（ｄ） 双凹形
（ ｃ） Ｄｏｕｂｌｅ ａｒｃｈ
（ ｄ） Ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｃａｖｅ
图 １ 主镜形状示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｍｉｒｒｏｒ ｓｈａｐｅｓ
反射镜直径较大时， 可设计成径厚比较大的形式， 其结
构强度与口径相似， 但径厚比较小的平背形反射镜结构
强度相差不多。双凹形主镜结构对称， 其应用较广泛。
根据反射镜轻量化孔是否封闭， 可将反射镜分为
开放型和封闭型结构， 如图 ２ 所示。（ａ） 是开放型结构，
１．２ 反射镜的轻量化 目前， 国内外镜体轻量化技术研究主要有 ３ 种途
构， 尽量减少主镜自重和温度变化对镜面变形的影 响， 是实现光学遥感器研制成功的关键技术之一。
主镜作为反射式光学系统的关键部件， 随着其口 径的增大， 必须对其进行轻量化设计， 以减轻自重变 形的影响。主镜在轻量化后， 随着轻量化率的增加， 虽然比刚度在提高， 但其结构绝对刚度却在下降， 因 此镜面对支撑应力的敏感度也在迅速增大。目前， 反 射 镜 轻 量 化 实 现 途 径［１－ ２］一 是 选 用 新 型 性 能 优 良 的 材 料 和 工 艺［３］； 二 是 选 择 新 型 的 超 薄 反 射 镜 技 术［４］； 三 是