某空间用主反射镜的设计

随机振动引起空间反射镜面形退化的机理研究孔富家; 白绍竣; 陈祥; 刘义良; 乔玉莉【期刊名称】《《航天返回与遥感》》【年(卷),期】2019(040)005【总页数】9页(P58-66)【关键词】随机振动; 空间反射镜; 横向残余应力; 面形退化; 航天遥感【作者】孔富家; 白绍竣; 陈祥; 刘义良; 乔玉莉【作者单位】北京空间机电研究所北京 100094; 北华航天工业学院廊坊 065000【正文语种】中文【中图分类】V423.9空间光学遥感器在运输以及发射过程中，力学环境可能造成遥感器某些结构的损坏，例如，电子线路的短路或断路、电子器件的损伤、光学镜头支撑结构或粘胶环节的破坏或断裂等[1-2]。

这些损坏能够导致遥感器传函下降甚至无法成像。

因此，光学遥感器合理的抗力学设计是其能够可靠工作的必要保障。

反射镜的支撑技术是空间光学遥感器研制过程中的关键技术之一[3-4]。

反射镜的支撑结构一方面要求反射镜组件具有足够高的刚度和强度，以满足运输和发射环境的要求；另一方面反射镜支撑结构需要具有一定的柔性，以卸载由于各零部件材料膨胀系数不一致而产生的热应力，防止热应力过大导致反射镜面形畸变，影响成像品质[5-6]。

反射组件在设计过程中通常需要借助有限元软件进行力学和热仿真分析，通过优化支撑结构使其满足空间反射镜支撑刚度与强度要求。

由于遥感器反射镜组件的结构复杂性和高性能的需求，国内外学者对反射镜组件设计方法及支撑结构进行了大量的研究：文献[7]等通过遗传算法设计了1m口径空间反射镜；文献[8]通过合理选择反射镜的支撑自由度，设计了低温下应用的碳化硅反射镜支撑结构；文献[9-10]研究了参数化方法在轻质反射镜和大口径反射镜结构设计中的应用；文献[11-13]利用拓扑优化方法进行反射镜组件的设计；文献[14]对大口径反射镜组件随机振动响应进行了分析研究，重点关注了反射镜加速度均方根响应和柔性支撑的应力响应与仿真结果的一致性；文献[15]研究了振动对反射镜胶连接的影响，重点关注了胶接反射镜的力学特性。

用于空间的三反射镜光学系统设计三反射镜系统的反射可在当三块反射镜的主截面彼此重合或者不重合时发生，从而得到一空间光路。

此外，在双反射系统中增加一主截面与前两块反射镜主截面重合的第三块反射镜，也可在前两块反射镜主截面重合的第三块反射镜出现时，在前两块反射镜反射的光线不变偏向角上加上由第三块反射镜产生的可变的偏向角，同时在由前两块反射镜的非镜象上加上第三次反射的镜象。

这些原理也可以推广到主截面位在同一平面内的任何数目的反射镜，由奇数反射镜组成的系统总是与一块平面反射镜等效；同样，由偶数反射镜组成的系统与双反射镜系统等效。

1 三反射镜光学系统的原理事实上，主截面在同一平面内的三反射镜系统没有任何新的光学性质，但是，主截面彼此不重合的三块反射镜的另一种情形却具有特殊的意义。

其实，将主截面位在互相垂直的平面内的双反射镜系统和产生反向光束的反射镜结合起来，当最后一种介质与前一种介质的折射系数异号时，就可得到在两个平面内的线放大率都等于-1的系统，因而立即得到两个角放大率都等于+1。

这样一来，即可得到：2 三反射镜光学系统的参数三反射镜系统的第三镜还可以放在前两镜合成焦点之后，即α2取负值而β2取正值，往往是希望得到长焦距。

我国的2.16 m 天文望远镜从R-C系统转换到折轴系统，不是更换副镜，而是在R-C系统焦点之后加入第三镜成为三镜系统，只稍稍改变副镜位置，即改变α1，使折轴系统S1=0及SH=0。

这时，都已定，且有一定要求，为折轴焦距与主镜焦距之比，真正的自由变量只有及。

其中，α1只能在一个小范围内变化，折轴焦点的视场很小，满足S1=0及SH=0就够了，主镜及副镜的面形参数分别为=1.095134 7及=5.077 526，折轴系统轮廓参数为α1=0.296 574 074，α2=-0.564 073 696，β1=-2.967 187 012，β2=5.055 332 748，计算机优化算出=-0.258 5。

第47卷第C期Vol.47 No.8红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2018年C月Aug.2018空间引力波望远镜主镜组件的结构设计李钰鹏！’2,王智沙巍吴清文赵亚！$2(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;2.中国科学院大学，北京100049)摘要：针对空间引力波望远镜皮米量级的极高光程稳定性需求，对系统中主镜组件进行了优化设计。

采用微晶玻璃(Zerodur)作为反射镜材料，支撑结构材料为铟钢(4J36)。

首先，通过对反射镜参数的优化，使其在保证面形精度的同时镜体轻量化率达到了72%。

然后，设计了一种双轴联杆型Bipod柔性反射镜支撑结构，并采用了侧面三点支撑的形式。

以保证有效的支撑刚度及卸载效果为目的，建立了柔性铰链的数学模型，并基于Matlab对其尺寸参数进行了优化。

最后，对优化设计后主镜组件进行了模态分析及振动试验，并完成了在轨分析与波前质量计算。

结果显示，主镜组件的一阶固有频率为373 Hz，与试验结果的相对误差为3.5%;在轨环境下主镜面形精度达到8.9nm(RMS);波前精度为A/5 (入=1 064nm)。

表明该反射镜组件满足设计指标要求。

关键词：引力波望远镜；主镜组件；优化；波前中图分类号：V447.3 文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA201847.0818004Structural design of primary mirror subassembly for spatialgravitational wave telescopeLi Yupeng1’2，Wang Zhi1，Sha Wei1，Wu Qingwen1，Zhao Ya1，2(1. C h a n g c h u n Institute o f Optics, F i n e M e c h a n i c s a n d Physics, C h i n e s e A c a d e m i c o f Sciences, C h a n g c h u n130033,Ch i n a;2. University o f C h i n e s e A c a d e m y o f Sciences, Beijing 100049,C h i n a)Abstract: Aiming at the extremely high optical path stability requirements of the spatial gravitational wave telescope in the order of picometer，the main mirror components in the system were optimized. Zerodur was chosen as the material of the primary mirror，the support structure was Invar. Firstly，through the optimization of the parameters of the mirror analysis，while ensuring the accuracy of the surface，the mirror light weight rate reached 72%. Then a biaxial joint Bipod flexible mirror support structure was designed，using the side of the three-point support form. In order to ensure the effective support stiffness and unloading effect，the mathematical model of the mechanism was established，and its size parameters were optimized based on Matlab. Finally，the modal analysis and vibration test of the收稿日期：2018-03-21;修订日期：2018-04-26基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(B)(X D B23030000)作者简介：李钰鹏（1992-)#男，博士生，主要从事光机结构设计方面的研究。

第48卷第S1期红外与激光工程2019年4月Vol.48No.S1Infrared and Laser Engineering Apr.20193m口径空间反射镜的参数优化王小勇，张博文，郭崇岭，刘湃(北京空间机电研究所，北京100094)摘要：重力作用下的面形精度是空间反射镜性能的重要方面。

以重力作用下的面形RMS为目标函数，基于反射镜结构和支撑点分布的参数化模型对某3m口径空间反射镜进行了优化。

首先，利用经典理论公式确定了支撑点数量和位置，进行了反射镜结构初步设计；其次，根据反射镜轻量化特征和支撑系统运动学设计建立了反射镜结构和支撑点分布的参数化模型；最后，采用Isight软件实现反射镜优化的过程集成和流程自动化，研究了重力作用下面形精度与各参数间的关系。

结果表明，优化后反射镜面形RMS值为86.7nm，相比初步设计的259.4nm减小了66.6%，满足了项目指标要求。

所提出的优化方法结合了支撑系统运动学模型，为采用相似轻量化结构和支撑方案的大口径反射镜优化提供了一种全面、高效的新思路。

关键词：空间反射镜；大口径；支撑点位置；参数优化中图分类号：TH751.1；V474.2文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA201948.S118002 Parameter optimization of3m aperture space-based mirrorWang Xiaoyong,Zhang Bowen,Guo Chongling,Liu Pai(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity,Beijing100094,China)Abstract:Surface shape accuracy under gravity is an important aspect of space-based mirror performance.A3m aperture space-based mirror was optimized based on the parametric model of mirror structure and support point distribution,taking the surface shape RMS under the action of gravity as the object function.Firstly,the number and location of the support points were determined by using the classical theoretical formula,and the structure of the mirror was designed preliminarily.Secondly, according to the lightweight characteristics of the mirror and the kinematics design of the support system, the parameterized model of the mirror structure and the support points′distribution was established.Finally,the process integration and process automation of mirror component optimization were realized by using Isight software,and the relationship between the shape accuracy under gravity and various parameters was studied.The results show that the RMS value of the optimized mirror is86.7nm,which is66.6%less than that of the preliminary design259.4nm,and meets the requirements of the project.The proposed optimization method combines with the kinematic model of the support system,and provides a comprehensive and efficient new approach for the optimization of large aperture mirrors with similar lightweight structure and support schemes.Key words:space-based mirror;large aperture;support points location;parameter optimization收稿日期：2018-12-13；修订日期：2019-01-24基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0500802)作者简介：王小勇(1972-)，男，研究员，博士生导师，博士，主要从事大口径空间光学遥感以及视轴稳定控制方面的研究。