远距离目标成像系统结构设计-毕业论文

编号 本科生毕业设计远距离目标成像系统结构设计The Structral Design of Remote Target Imaging System学 生 姓 名专 业测控技术与仪器学 号指 导 教 师学 院光电工程学院 年 月摘要 望远镜是获取远距离目标信息的重要途径之一，已成为现代军事侦察的重要手段。随着技术的发展和用户需求的不断提高，尤其是军事应用需求的牵引，望远镜向着高分辨力、轻型化和集成化的方向发展。目前，我国在反射镜支撑技术领域与美国等一些发达国家相比还有很大的差距。 本篇论文将针对远距离、大范围、快速移动的目标的搜索、瞄准以及处理应对设计一个长焦距、大视场、高分辨率的离轴三反射式光学系统，并对其进行优化，使口径不大于400mm；传递函数在40 lp/mm处，MTF=0.5；成像波长在可见光范围内。最后根据光学系统，设计出主镜筒长不超过1.5m且便于装调的望远镜支撑结构。关键词：离轴三反光学系统 支撑结构 轻量化 IAbstract 窗体顶端Telescope is one of the important way to obtain long-range target information.And it has become an important means of modern military reconnaissance. With the development of technology and constant improvement of the users needs， especially the demand for military applications traction .Telescope toward high-resolution， lightweight and integrated direction. At present， compared with the United States and other developed countries，the field of the mirror support of China is relatively backward. According to the search，aim and treatment response of the distant，large-scale and moving fast target，This paper will design an off-axis three-mirror optical system with a long focal length， large field of view and high resolution. Otherwise， optimize it.And finally to meet the requirements of various parameters，Such as,the diameter is not more than 400 mm;transfer function at 40 lp / mm，MTF = 0.5;imaging wavelength is in the visible range. Finally，according to the optical system，design the telescope support structure with the main tube that less than 1.5m.Keywords: off-axis three-mirror optical system;support structure;lightweightII目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 离轴三反光学系统11.3 反射镜支撑技术国内外发展概况21.3.1 国外发展概况21.3.2 国内发展概况31.4 本文研究内容及意义3第2章 光学成像系统的选择52.1 望远镜光学系统的类型及特点52.1.1 折射式光学系统52.1.2 折反射式光学系统52.1.3 反射式光学系统62.2 光学系统设计7第3章 反射镜设计93.1 反射镜的材料93.2 反射镜的基本结构123.3 主反射镜的设计133.3.1 径厚比133.3.2 反射镜背部形状143.3.3 主镜轻量化孔形式153.4 次镜和三镜的设计163.5 反射镜基本尺寸的确定17第4章 反射镜支撑结构的设计184.1 支撑结构设计原则184.2 主镜支撑结构设计194.2.1 支撑点数量的理论计算及确定204.2.2 支撑点位置的理论计算214.2.3 支撑结构设计214.2.4 支撑结构的材料选择234.3 次镜支撑结构设计234.3.1 次镜座及桁架杆设计244.3.2 支撑结构材料的选择254.4 三镜支撑结构设计254.5 遮光罩和总支撑座的设计254.5.1 遮光罩设计254.5.2 总支撑座设计274.6 望远镜总体结构设计27第5章 成像质量分析295.1 光学系统像质评价295.2 反射镜自重对面形的影响305.3 温度环境对面形的影响31第6章 总结与展望336.1 本论文主要的研究工作336.2 不足与展望33参考文献34致谢36IV第1章 绪论1.1 引言在天文观察、气象预报、军事勘探等方面都会涉及到对远距离目标的各种信息的获取，针对远距离目标的获取设计合适的光学系统十分必要，而且随着光学技术的发展，对目标的探测精度的要求越来越高，分辨率需求也越来越高。在众多的光学系统中，离轴三反光学系统以其无中心遮拦、结构紧凑、体积小等优点得到越来越广泛的应用1。 目前，国外已经成功发射十余种不同类型的离轴三反空间光学成像遥感器，但对于大孔径反射镜及其支撑结构设计却鲜有介绍。合理的支撑结构设计是对远距离目标信息进行准确获取的另一关键因素，也是整个望远系统设计的难点。 1.2 离轴三反光学系统 就目前国内外的研究情况来看， 折射式光学系统较适用于视场大、分辨率要求低、焦距较短及通光口径不大的要求。折反射式光学系统具有外形尺寸小、孔径和视场较大的长处。最典型的有施密特类和卡塞格林类系统。纯反射式光学系统的主要优点包括：不存在任何色差，可用于宽谱段成像，特别适用于长焦距相机和光谱成像相机；通光口径可以很大，光在自由空间传播，不必通过光学玻璃，易于解决由材料引起的问题；结构紧凑，所需光学元件少，便于用反射镜折叠光路，且可采用超薄镜坯（如SiC）或轻量化技术，大大减小反射镜的质量；反射离轴系统更具有无中心遮拦、光学传递函数MTF值高等优越性2-3。 目前已经有人设计出了离轴三反射、四反射、五反射、六反射望远镜系统4。但非球面离轴反射式光学成像系统主要有两镜系统或三镜系统，两镜系统的优点是结构简单，主要缺点是用于校正像差的自由参数较少，难以兼顾焦距、视场、相对孔径、体积、质量等多方面要求。由于三反射镜的突出优势及近年来在计算机辅助设计的进步，目前应用较广泛的是三镜系统。并且与共轴光学系统相比，以离轴、偏心和倾斜式光学系统为代表的新型空间相机在扩大系统的视场，提高系统分辨率、杂光抑制等方面具有巨大优势，所以也是目前的研究热点和技术难点，三反消像散非球面光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点。 作为国际上长焦距、大视场空间相机光学系统发展的一种新趋势，三反消像散离轴非球面光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点5。但同时由于其光学结构的非对称性，也给研制过程中的结构设计、光学元件加工、系统装调等工作带来相当大的难度。因此，在光学设计确定后，高精度离轴非球面抛光、反射镜的轻量化设计及加工、高反射防辐射镀膜、高比刚度的镜头结构、离轴非球面的计算机辅助装调等几项专项技术成为了决定三反消像散离轴非球面光学系统成败的关键。只有突破离轴三反光学系统的设计、加工、检测、装调四大关键技术，才能使我国的航天遥感技术与世界先进水平同步。 离轴反射光学系统还应用在军事上，军事侦察的工作过程中，进行目标搜索和瞄准时，视场的切换导致短时间丢失目标这一缺点就致使对快速运动的目标无法应对。传统的小视场系统大多工作在红外波段，使用范围受到限制。为了解决短时间丢失目标这一问题，很好的应对快速运动的目标，需要大视场搜索与小视场瞄准的需要能够同时兼顾6。 1.3 反射镜支撑技术国内外发展概况 1.3.1 国外发展概况 哈勃望远镜（Hubble）是美国宇航局（NASA）和欧洲宇航局（ESA）的合作项目，主要目标是建立一个能够长期在太空中进行观测的轨道天文台。主镜直径2400mm，镜体厚305mm，材料是ULE玻璃，由Corning公司提供，主反射镜采用组合支撑形式，包括24点轴向支撑和3点径向支撑7。 开普勒（Kepler）太空望远镜是由美国宇航局设计的用来发现环绕其它恒星的类地行星的望远镜。其主镜材料为ULE，口径1.4m，主动调节的3个A-frame结构作为背部支撑。 日本ASTRO-F望远镜，主要用于红外观测，主反射镜材料为SiC，口径710mm，有效口径670mm，镜体重11kg，反射镜背部设计有三角形轻量化孔，采用三个Bipod支撑，通过铟钢过渡件和反射镜连接，有效的补偿了热载荷变化引起的镜面变形。 法国的Pleiades望远镜，口径650mm，可以实现全色波段0.5m和多光谱断2m的空间分辨能力，主镜材料为微晶玻璃，采用圆形轻量化孔，轻量化率高达85%，设计3个Bipod侧支撑结构。 美国Snap望远镜采用ULE作为主反射镜材料，反射镜通光口径2050mm，镜面曲率半径4908mm，平均厚度200mm，重205kg。背部封闭，采用三角形轻量化孔，3组倒立Bipod支撑结构作为背部支撑。美国宇航局研制的赫歇尔（Herschel）红外太空望远镜，主镜是由法国的Boostec公司制造，直径3.5m，由12块扇形的SiC反射镜焊接形成，该镜抛磨完成后镜面平均厚度4mm，减重孔的加强筋高度从110mm到215mm，镜体重量210Kg，采用背部三点Bipod支撑结构，材料为钛合金，支撑结构顶部与反射镜接触部分采用铟钢过渡件，其热膨胀系数可以根据需要调整至和反射镜材料相同，这样减少了反射镜由于热应力引起的变形。 SOFIA望远镜由美国和德国合作制造，反射镜直径2.075m，中心孔直径420mm，镜体边缘厚200mm，镜面曲率半径7.072m，采用Zerodur材料，轻量化后镜子重850Kg。支撑结构包括背部和侧边两部分，背部的轴向支撑是18点Whiffle-tree结构，外圈12点，分布在半径1100mm的圆环上，内圈6点，分布在半径542.7mm的圆环上，侧边的径向支撑采用三个A-frame结构，在温度变化时，通过侧边柔性支撑变形补偿来自反射镜的应变能，减小应力对反射镜镜面的影响，这样的复合支撑结构形式允许镜面沿着光轴发生微小位移，但不会发生转动和弯曲。 1.3.2 国内发展概况 国内大口径反射镜的研制工作主要参与单位有中科院长春光学精密机械与物理研究所、中科院西安光学精密机械研究所、中科院光电技术研究所（成都）、南京天文仪器研究所和哈尔滨工业大学等单位，研究内容主要包括光学系统设计、相机结构设计、镜坯制造、抛光、镀膜、相机结构装调等。国内关于已经研制成功的空间反射镜项目公开较少，根据可以查到的资料，可以粗略知道，南京天文仪器所制备了空间碎片探测望远镜，主反射镜口径为770mm，镜体中心厚度120mm，采用K4光学玻璃。最终反射镜镜面精度PV小于/5（=632.8mm）。成都光电所进行了厚度50mm、中心孔口径140mm、曲率半径3600mm的1.2米微晶玻璃材料主镜有限元分析，该反射镜在三个同心环上分布了36点轴向支撑，其中33处采用主动支撑；建成了1.8米自适应光学望远镜。长春光机所韩光宇等人研究了1000mm口径反射镜面形精度和支撑方式的关系，采用轴向18点浮动支撑和径向3点柔性支撑的组合支撑形式，并提出了一套新的装调方法，最终，保证主镜的面形RMS值达到/18。哈尔滨工业大学制备的直径120mm650mm反射镜，其轻量化率能达到70%，面形精度可以达到PV0.1，RMS3nm。南京天文仪器研究所研制的直径为770mm反射镜，材料选用光学玻璃K4，其厚度为120mm，反射镜镜面精度可以达到PV/5。目前，我国自主研发的最大口径反射镜位于国家天文台河北兴隆基地，其口径为2.16m，该望远镜属于极轴式天文望远镜。主镜材料为JIK5玻璃，反射镜支撑采用轴向支撑和径向支撑相结合的方式。1.4 本文研究内容及意义 望远镜的发展要求其成像质量越来越高，对远距离目标成像光学系统的要求越来越苛刻，需要有长焦距，大视场，成像系统的选择成为很关键的一个环节。同时，对反射镜的支撑也提出了更高的要求，本文针对离轴三反光学系统，主要开展了以下几个方面的研究： （1）通过比较折射式光学系统、折反射式光学系统和反射式光学系统的优缺点，最终选用反射式光学系统，再比较了共轴和离轴光学系统的优缺点，针对本文的远距离目标成像选择离轴三反光学系统。并用Zemax进行光学系统的设计优化。 （2）对主镜、次镜及三镜分别进行结构设计及其材料的选择，使其满足使用要求，并对口径较大的主镜进行了轻量化设计。 （3）设计支撑结构。先分别对主镜、次镜及三镜进行支撑结构设计，主镜采用背部三点柔性支撑，次镜采用次镜座与支撑杆结合的方式，三镜采用背部支撑，最后将三个反射镜固定在遮光罩的相应位置。 （4）对设计的反射镜及其支撑结构进行误差评价。 （5）对本文研究的内容进行总结，并指出不足之处，对未来远距离目标成像系统结构设计进行了展望。38第2章 光学成像系统的选择 在对远距离目标进行成像时，一个好的成像系统的选择对目标的捕捉具有至关重要的作用，本章通过比较集中典型的光学系统的优缺点，最后选出一种比较好的光学系统，并进行设计优化。2.1 望远镜光学系统的类型及特点 空间光学系统主要有折射式、折反射式和全反射式三种形式2,8。 2.1.1 折射式光学系统 早期较长焦距相机的光学系统是折射式的，俄罗斯的米级以及亚米级高分辨率遥感光学系统采用的是折射式系统。 图2-1是其中一种，中间负透镜用特种火石玻璃制成，以校正二级光谱，但是随着分辨率要求的不断提高，要求光学系统的焦距越来越长，对于折射系统来说，存在着一些难以克服的因难，元件的通光口径、系统的体积、质量要相应的增大，获得大尺寸光学均匀的材料较困难，二级光谱正比于焦距，随着焦距变长，愈难消除：并且折射系统的成像质量容易受到外部环境温度变化的影响。因此，折射式光学系统较适用于视场大、分辨率要求低、焦距较短及通光口径不大的要求9。图2-1 折射式光学系统 2.1.2 折反射式光学系统 折反射式系统具有外形尺寸小、孔径和视场较大的长处，主要由反射镜产生所需的光焦度，而用无光焦度的多块折射元件较正像差，扩大视场，因此，不会带来色差，最典型的有施密特类和卡塞格林类系统。 为了使相机的外形尺寸更加紧凑，可采用基于卡塞格林系统的折射一反射光学系统，图2-2是美国ITEK公司制造的LOROP相机光路.焦距为1.82m，相对孔径1/3.65，全视场角1.9，分辨角32rad。如图2-3所示，通常称为类施密特卡塞格林系统折射反射系统主要用于中等口径的望远物镜，一般口径应为400mm，进一步增大口径，不仅对材料的要求苛刻，而且系统的质量、体积将增大。主镜校正器次镜图2-2 相机的光学系统 校正器主镜次镜施密特校正镜像面校正器图2-3 类施密特卡塞格林光学系统 2.1.3 反射式光学系统 长焦距大口径光学系统，要达到要求的成像质量，还要保证合理的外形尺寸，且实现轻量化，可以考虑采用全反射系统。在空间光学领域反射式系统得到了越来越多的重视，它的优点主要表现在以下几个方面： （1）反射镜可以用任何材料制作成，甚至可以是经过足够抛光的金属，也可以通过拼接方法获得。 （2）相同光焦度反射镜的曲率仅为透镜曲率的四分之一，因此反射镜可以做到大相对孔径且不引入过大的剩余像差。 （3）反射式系统可以通过折叠光路，设计出灵活多样的形式，不仅可以紧凑结构，还可以节省空间减轻重量。 （4）反射式系统不产生色差，可以用于宽光谱范围成像。 （5）中间成像的反射式结构，能够更好的消杂光，增强了像面照度的均勾性和轴外视场的光通量。 反射系统的诸多优点，反射镜材料种类和性能多样性更加促进了反射系统的广泛应用，特别是应用在航空航天和国防建设领域。离轴反射系统通过将镜面进行合理的倾斜和偏心，消除了中心遮栏；通过折叠光路促进了反射镜轻量化发展，加速了遥感相机向着大视场、长焦距发展进程。这类系统也有一些缺点，特别是在加工和装调方面，但随着非球面以及离轴非球面的加工工艺的日趋成熟，和装调技术的不断发展，反射系统将得到越来越多的应用在空间光学领域、多光谱成像、远程预警探测、对地侦测以及高分辨率光学遥感，研究离轴三反光学系统有着十分重要的意义。2.2 光学系统设计 反射式光学系统分为共轴光学系统和离轴光学系统，由于共轴反射系统中光路的转折，使其不可避免的存在中心遮拦。这不仅会影响进入系统的能量，同时也会降低系统的 MTF，进而影响整个系统的成像质量。传统的共轴全反射式光学系统存在中心遮挡、次镜安装困难等问题。现代空间遥感技术的发展，要求光学系统具有大的线视场、接近衍射极限的成像质量、无中心遮拦，能满足这些要求的，非离轴三镜系统莫属。求解离轴三反射镜系统的初始结构和共轴三反射系统一样，可以利用已导出的公式进行计算，只是在优化计算的时候，取同轴系统的离轴部分10。 离轴反射式光学系统主要具有以下优点11-13：（1）无色差，有利于多光谱系统的实现；（2）无中心遮挡，有利于提高系统的光学效率与成像质量；（3）结构相对紧凑，光路可多次转折；（4）不受光学材料的限制，口径可以做大；（5）固有无热化，环境适应性较强。 使用Zemax软件进行光学系统的初步设计，主要包括三个反射镜的曲率半径、各个反射镜之间的相对距离、离轴量的设计，在设计过程中对数据进行调整和优化，经过多次试取离轴量h大小后，离轴三反光学系统的光路图如图2-4所示：图2-4 离轴三反系统光路图 多次优化后，系统参数为表2-1表2-1 离轴三反光学系统的参数半径镜间距Y轴离轴量X轴偏心量主镜-2548.902-1000-96.661-1.283次镜-550800100.724-1.563三镜-859.301-300.5-246.4353.728第3章 反射镜设计 反射镜是直接参与成像的光学部件，其面形精度直接影响光学系统的成像质量，是保证光学系统成像质量极为重要的技术指标。由于地面和在轨力学环境的不同、反射镜组件自身结构（如非静定结构的安装方式）和温度环境的差异等多种因素会导致反射镜面形精度降低。 本章根据反射镜的设计目标，研究了反射镜材料和反射镜结构形式、大口径反射镜支撑点数量和位置；利用经典理论公式确定的支撑点位置，进行了三个反射镜裸镜结构初步设计。 3.1 反射镜的材料 由于反射镜材料的密度、泊松比、弹性模量、热胀系数和热导率等力学和热物理性能直接关系到反射镜在静态和动态环境下的固有特性，所以结构设计之初首要考虑的就是材料的选择问题。反射镜材料的选择主要考虑以下因素1415： （1）材料热物理性能 由于仪器所处的温度环境相对复杂，当反射镜与外界环境发生热交换时，反射镜的温度水平及温度梯度的变化将导致反射镜热应力和热变形的产生，进而影响镜面面形精度。因此，反射镜材料的热物理性能成为影响反射镜面形精度的重要因素。 工程实践中，主要考虑的热物理性能包括材料的比热容、热膨胀系数及导热系数。比热容反映了相同质量的物体温度状态改变的难易程度；相同热交换条件下，比热容越大，相应的温度变化、热应力以及热变形量也越小，反射镜的结构稳定性就越好。热膨胀系数反映了结构尺寸对温度变化的敏感程度；相同温度水平变化情况下，膨胀系数越小，反射镜膨胀量就越小，反射镜的结构稳定性越好。导热系数反映了热量在材料中传递的速度；导热系数越大，温度梯度越小，热量在镜体中传递的就越快，就越有利于消除镜体中的温度梯度，反射镜的结构稳定性越好16。 （2）材料可加工性能 反射镜材料可加工性直接决定该材料能否成为侯选材料。反射镜材料的可加工性能主要是指材料要有良好的机械加工性能和光学加工处理性能，包括易于实现反射镜轻量化构型设计、反射镜镜体粗精加工、镜面的抛光、镀膜性能等。同时，反射镜材料的微观结构应均匀一致，无光学加工产生的残余应力和诸多气泡、孔隙和材质不均匀等缺陷。材料内部残余应力小或易于通过热处理或力学振动等方式消除。材料应满足光学要求的表面光洁度或采取镀层的方法提高表面光洁度。当采用镀层方式提高表面光洁度时，反射镜基体与镀层间线胀系数的差异引起的双金属效应较弱，同时基体与镀层结合应牢固。 （3）材料力学性能 由于重力沿光轴方向作用时，圆柱形实体镜变形最大值与支撑方式有很大的关系。在确定的支撑方式和反射镜尺寸下，圆柱形实体镜变形与反射镜的材料密度成正比，与反射镜的材料弹性模量成反比。若定义比刚度为材料的弹性模量与密度的比值（即 E/），则应首先选择比刚度较高的反射镜材料。 （4）材料安全性 在安全性上，反射镜材料应具备无毒、安全的特性，在加工、使用过程中对相关人员的身体健康不构成威胁。目前常用于制作空间反射镜的材料有微晶玻璃（Zerodur）、超低膨胀玻璃（ULE）、铍（Be）、铝（Al）、硅（Si）、熔石英（Fused silicon）、碳化硅（SiC）等。表3-1为典型的空间反射镜材料的性能比较。表 3-1 典型空间反射镜材料及性能比较光学材料密度弹性模量比刚度线胀系数导热系数比热容热稳定性综合品质熔石英2.197232.880.501.407502.8092.05微晶玻璃2.539135.970.051.6482132.801179.76铝2.706825.1922.50167.008967.42186.93铍1.85287155.1411.40216.00192518.952939.40硅2.3313156.222.60137.0071052.692962.53SiC3.20400125.002.40155.0065064.588072.92 从表中可见，对于材料的力学性能而言，性能优劣依次是铍、SiC、硅、微晶玻璃、熔石英和铝；对于材料的热物理性能而言，性能优劣依次是 SiC、硅、微晶玻璃、铍、铝和熔石英。图 3-1 为常用空间反射镜材料比刚度与热稳定性的散点图，图中左上角的材料两种性能均具有良好的表现。按照材料的综合品质考察个材料，性能优劣顺序依次是 SiC，硅、铍、微晶玻璃、铝和熔石英，如图 3-2所示。热稳定性比刚度图 3-1 典型空间反射镜材料的比刚度与热稳定性散点图综合品质 熔石英 微晶玻璃 铝 铍 硅 SiC图 3-2 典型空间反射镜材料综合品质因数比较 由于微晶玻璃可通过相应的化学处理和热处理工序实现线胀系数定制和具有良好的光学加工性能优点，微晶玻璃作为反射镜材料在地面、航空、航天领域得到了广泛应用。由于比刚度和导热系数较低，在外载荷作用下相同结构状态的微晶玻璃材料反射镜变形较大；同时内部残余应力难以消除，微晶玻璃反射镜镜坯热处理工艺周期长、轻量化不便。Lindig研究了微晶玻璃的线胀系数、尺寸稳定性。Geyl研究了微晶玻璃、SiC、铍作为空间反射镜材料的性能差异，认为SiC、铍具有良好的温度和力学性能，而微晶玻璃技术发展更完善、成本更经济。 金属铍具有高弹性模量、低密度、高导热系数、低线胀系数的优点，因此作为大口径反射镜得到了广泛应用。由于金属铍的热膨胀系数与其镀层材料的热膨胀系数相差不多，双金属效应较弱。金属铍材料具有良好的可加工性，能够实现较高的轻量化率，然而由于金属铍剧毒，对加工环境要求苛刻，导致加工成本较高。金属铍在很宽的温度范围内都具有尺寸稳定性，能够适用于复杂的温度环境。 SiC材料比刚度极高，热传导率高，尺寸稳定性突出；SiC材料硬度很高、加工工艺相对复杂，加工比较困难且效率低下。在SiC基体上镀硅膜再镀银膜后镜面反射率能够达到98%以上。SiC材料综合性能优良，是目前比较理想的反射镜材料。Ealey研究了SiC材料于1m大口径反射镜中的应用。 高体分SiC/Al复合材料作为反射镜新型材料，具有密度小，比刚度大，热稳定性好、易于加工和轻量化等优点，由于高体分SiC/Al复合材料通常以坯锭的形式提供，材料加工和轻量化后残余应力较大，需要经过复杂的热处理工艺消除应力；同时由于容易出现返粉、内部孔隙等材料缺陷，高体分SiC/Al复合材料制备工艺苛刻。高明辉通过研究高体分SiC/Al复合材料的光学性能，分析了高体分SiC/Al复合材料作为反射镜材料的可行性，并提出了采用高体分SiC/Al复合材料作为反射镜和背板材料的反射镜组件设计方案。 由以上比较分析可以看出SiC材料的综合性能具有明显的优势：（1）SiC反射镜刚度较好，其在受力情况下变形较小，相对比较稳定。这样反射镜在加工和工作过程中，受到重力和加工应力时比较稳定。而且，刚度越好，反射镜的可轻量化程度就越高，反射镜就越轻。（2）SiC的热膨胀系数较小，温度变化时，反射镜变形较小，比较稳定。另外，SiC热传递性能较好，反射镜各部分温度较均匀，内部应力较小，适应性较强。（3）在镜坯制备方面，SiC反射镜最常用的方法为反应烧结法，这种方法的技术和工艺都比较成熟，加工的反射镜性能优良。且加工过程比较简单，可以制备很多形状比较复杂的反射镜。（4）SiC的光学加工性能较好，在反射镜整体成型后，反射镜表面可通过抛光工艺达到较好的面形精度，且可以采用凝胶注模成型技术快速地制作形状复杂的大口径轻量化反射镜素坯，大大缩短了反射镜制作时间，显著地降低了反射镜制作成本。目前，国内多家单位正在进行对空间SiC材料研究，其中中科院上海硅酸盐研究所利用常压烧结制备的碳化硅反射镜综合性能优良；中科院长春光机所、哈尔滨工业大学等单位在碳化硅材料研制方面也取得了令人可喜的研究成果17。考虑材料的综合性能以及采购渠道等多方面原因本文选取SiC材料作为反射镜材料18。3.2 反射镜的基本结构反射镜包括镜体和镜面，反射镜面直接参与成像，反射镜镜体用于承载镜面，保持镜面面形精度；支撑结构用于联接反射镜与遥感器，利用支撑结构的高刚度隔绝外部力学环境对反射镜的影响，同时支撑结构内部设置柔性结构用于解决反射镜过定位安装、热环境适应性等问题；为了调控工作温度环境，反射镜组件还采取了一定的热控措施。 3.3 主反射镜的设计 望远镜是地对空观测的重要有效载荷，为降低费用，在进行光机结构设计时应遵循的一个重要原则就是在满足仪器性能指标要求下做到质量最轻，当然也需要保证足够的刚度，也就是需要进行在轻质量和高刚度这一矛盾之间寻找较优的平衡点。长焦距大口径全反射式空间光学系统中的大口径反射镜的镜体轻量化设计是整个望远镜光机结构轻量化设计的最基本环节。反射镜的轻量化设计包括径厚比、支撑点、轻量化孔形状的选择。合理有效的反射镜轻量化设计就是在满足良好成像要求的前提下尽可能多地去除镜体中不参与成像的光学材料，通常的做法是在优化反射镜背部形状的基础上开设如三角形、四边形、六边形、圆形、扇形等各种轻量化孔。在选择轻量化孔结构形式之后，再对支撑方式、支撑点位置、镜体厚度、反射面板厚度、支撑孔壁厚、轻量化孔筋板厚度、后面板厚度等反射镜具体结构参数进行优化设计。 成功的反射镜轻量化结构设计将有效地降低反射镜组件的重量，提升反射镜的结构刚度，并影响着反射镜的最终使用性能， 包括抗变形能力、热环境适应性能、减重比及表面的光学质量等，这些对反射镜的刚度和面形质量具有至关重要的作用。 本文SiC主反射镜轻量化选择刚度较大的三角形轻量化孔的轻量化形式，为了便于进行反射镜的结构设计，筋板方式采用直筋。对于不同的轻量化形式，反射镜轻量化率、重力释放条件下和温差条件下镜面的最大变形量及固有频率会有所不同。本章主要设计初始的镜体主要结构参数如镜体厚度、面板厚度、筋厚度、内切圆直径，并对对三角形、正方形和六边形轻量化孔方案进行分析与对比，主要包括其轻量化率以及其稳定性，并最终确定与设计出最优的反射镜镜片轻量化结构。 3.3.1 径厚比 径厚比直接决定了反射镜的轻量化程度，主反射镜的径厚比与材料的比刚度（E/）、支撑方式及轻量化形式等因素有直接关系。对于圆柱形实心反射镜，径厚比一般为5:17:1。对于圆形反射镜，利用Roberts等人给出的圆形反射镜径厚比与自重变形的经验公式19-20： （3-1） 式中：为最大自重变形（m）；材料密度（）；重力加速度；圆盘半径（m），=D/2；E材料弹性模量（）；反射镜厚度（m）；D反射镜直径（m）。 根据圆形反射镜径厚比经验公式，利用有限元分析方法得出最优的主反射镜镜体厚度，根据实际情况初步确定主反射镜厚度为40mm，经分析说明，径厚比可以满足主反射镜镜面的面形精度。 3.3.2 反射镜背部形状 对于大口径反射镜，有的采用平背式的背部结构形式，但为了减轻镜体的重量，往往利用直接铸造或机械加工的方法将反射镜的背部加工成一定的形状。具体有倒角式，双折线式和浴盆式等。不同的反射镜背部形状与不同的支撑方式相适应，在具体的反射镜结构设计时应力求得到最佳的匹配。目前，由于反射镜轻量化研究的进展，轻型反射镜常用的镜体结构形式大致包括开放式、半开放式、封闭式、泡沫夹芯式等，背部开放式结构是在反射镜的背部去除部分镜坯材料，形成一系列形状规则的轻量化孔；背部封闭式结构是在背部开放式结构的基础上，再加上一个加强面板；而半开放式结构是在封闭式结构的加强面板上再挖出轻量化孔；泡沫夹芯式结构与背部封闭式结构相似，不同的是将低密度的泡沫夹芯填充在前后面板之间，代替了加强筋阵列，用来承担载荷。具体形式如图3-3所示7。反射镜结构的选择应根据项目研制的需要，考虑制造的难易、生产周期、成本费用、使用性能要求等多种因素，并通过综合评估各项因素，确定合理的结构形式。Valente等人的研究成果表明：在等刚度的情况下背部封闭式结构一般可比背部开放式结构厚度薄20%左右，且反射镜背部面板能够使反射镜具有更优的热特性，能够更快速地消除反射镜温度梯度，从而提高反射镜的热稳定性，因此文中选取这种背部开放式的反射镜轻量化结构形式。 a） 封闭式结构 b） 半开放式结构 c） 开放式结构 d） 泡沫夹芯式结构图3-3 常用的镜体结构形式 3.3.3 主镜轻量化孔形式 空间反射镜镜坯轻量化的主要途径有机械法、熔铸法、焊接法等。熔铸法和焊接法可以保证反射镜具有较小的壁厚及质量分布均匀合理的轻量化结构形式，这两种方法加工出来的反射镜比刚度大，质量比较轻，轻量化率可达70%以上，因此，可以保证反射镜具有较高的面形精度。国外一些大口径反射镜的轻量化多采用这两种方法。但国内由于技术水平的限制，还没有摸索出一套成熟的技术途径，一般采用机械加工的方法来进行反射镜的结构轻量化。 轻量化蜂窝结构的反射镜比相同尺寸的实体镜更合理，因为轻量化镜体是把对镜体的抗弯刚度贡献很小的那部分材料从实体镜体中去掉，虽然减少了对抗弯刚度有贡献的材料，镜体的抗弯刚度略有下降，但镜体本身的重量却大大减少了，镜体的比刚度明显增加。根据不同的镜体形状，轻型反射镜的蜂窝单元几何形状有正六边形、四边形、三角形、扇形、圆形或几种形式的混合形式21。具体形状如下图所示。图3-4 轻量化孔的形状 由于四边形和六边形结构抵抗变形的能力差，刚度太低，而圆形孔虽然具有良好的加工性能，但是轻量化率很低，导致反射镜质量过高，比刚度低，因此一般都很少采用。 通过相关文献可以知道已经有很多学者对这几种轻量化孔的优劣进行了研究比较，刘辉等人的研究表明三角形孔镜坯结构刚度最大，圆形孔结构工艺性好，而且容易实现半封闭结构，四边形和六边形结构抵抗变形的能力差，刚度太低，而圆形孔虽然具有良好的加工性能，但是轻量化率很低，导致反射镜质量过高，比刚度低，因此一般都很少采用。郭喜庆比较了多种轻量化结构，总结得到三角形轻量化孔结构相比四边形和六边形轻量化孔结构，在相同几何尺寸的情况下面形精度要好，不过三角形孔结构轻量化率较低，相比后两者重量增加10%左右；圆形轻量化孔是六边形孔的简化，与六边形孔相比质量分布欠均匀，且具有一定的计算误差，但这种形式孔比较容易成半封闭式的阶梯孔，对镜体的抗弯刚度具有一定的贡献。 综合来看，三角形轻量化孔更利于获得良好的镜面面形，各个方向物理性能均衡，具有较好的各向同性特征，因此本文设计方案主反射镜背部轻量化孔选择三角形形式。同时，为了最大限度的减轻SiC主反射镜的重量，镜体采用了双弧线型结构，在保证主镜整体刚度不变的同时轻量化率进一步提高，主镜轻量化结构如图3-5所示。图3-5 主镜轻量化模型3.4 次镜和三镜的设计 由于次镜和三镜尺寸较小，几种轻量化孔的结构形式对次镜的面形影响差别不大，因此对次镜和三镜没有进行轻量化设计。次镜和三镜结构如下。图3-6 次镜结构图 3-7 三镜结构3.5 反射镜基本尺寸的确定由以上可知，根据光学系统的要求和实际需要，我们进行了初步的反射镜的结构设计，主镜的口径为400mm，最薄处为45mm，对主镜的背部采用三角形轻量化孔的形式来减轻重量，轻量化孔的壁厚均为5mm。次镜口径为302mm，最薄处厚度为34mm，并采用在次镜中心挖孔的形式得到有效通光口径，同时也减轻了次镜的重量。对于口径为80mm、最薄处厚度为10mm的三镜，由于口径很小，不需要进行轻量化设计。第4章 反射镜支撑结构的设计 支撑结构用于支撑定位反射镜，并将其连接到遥感器上，同时，支撑结构还要起到隔绝外部力学环境对反射镜的影响和消除反射镜过定位安装、热环境适应性等问题的作用。 望远镜的主结构形式一般可分为整体式结构和桁架式结构两种。整体式结构一般采用金属铸造或复合材料成型，在中、小型空间相机中应用较为广泛，主要优点是技术比较成熟、工艺性较好；而桁架式结构与前者相比有更好的比刚度，质量较小，一般应用在大口径、长焦距的大型空间相机上，如哈勃天文望远镜等。本望远镜采用离轴三反的光学系统，主结构采用薄壁式框架结构设计。 本文所讨论的离轴三反系统主要包括主镜、次镜以及三镜三个部分，所以根据光学系统把结构系统也分为三个部分：主镜组件、次镜组件以及三镜组件。在第三章已经分别对主镜、次镜以及三镜做了结构设计，本章将每个反射镜组件作为单独的一个子系统，确定支撑结构的材料，独立设计各自的支撑结构，最后将各个反射镜组件依次固定到遮光罩的相应位置。 结构设计的目的是实现光学设计的要求。对于该离轴三反系统，结构设计的重点在于如何固定主镜以及三镜；如何按照光学零件的参数要求实现主镜、次镜以及三镜之间的高精度定位，保证光学系统的成像质量。此外，光机结构要有足够的刚度和强度，并且装调容易、固定方便、轻量便携、牢固可靠。为了减少设计和加工周期，当光学系统需要做局部改动时，相应的结构部分随之改动即可，而其他的结构部分则不需要修改。4.1 支撑结构设计原则 对反射镜的支撑结构设计在满足光学系统成像要求的同时，还要考虑相机的加工和装调技术条件、以及望远镜的运载和工作环境等。对三个反射镜间的支撑结构的主要要求包括以下几个方面：机械接口的安装精度、结构的刚度和强度、结构的动态特性、结构的热稳定性、结构的整体质量等。具体设计的基本要求如下15,22： 1）具有优良的结构刚度和强度。保证望远镜的结构在外界环境的作用下变形引起的光学元件面形精度和各元件之间相对位置的变化不超出由光学设计规定的允许值。 2）具有高的动态刚度及合理的模态分布。结构的动态特性要好，要有较高的基频，减少外界激振源对光学系统性能的影响。 3）在材料选择方面，主要采用轻质的、稳定性较好的材料。 4）具有良好的尺寸稳定性。合理地选择材料，特别要注意各个反射镜和反射镜支撑结构材料之间的线膨胀系数的匹配。 5）便于装配、检验。当光学零件加工完成后，接下来的问题就是与结构部分的装配。对于已经合格的光学零件，应尽量使装配不会造成光学零件的变形，因此必须解决好镜片的粘接、紧固、支撑以及受力问题。而光学零件的紧固与支撑方法是通过结构来保证的，所以在做结构设计时就要充分考虑这方面的情况。在某些受力状态下，很小的压力就能引起镜片的变形。对于光学零件以及结构件，在保证使用要求的前提下要给出合理的装夹方式、尺寸精度、形位公差、间隙精度及压紧力等。 6）便于调整。一个系统能否体现其价值最终需要通过装调来实现。离轴三反光学系统的每个单镜在光学系统的三维坐标系中都有六个自由度，包括沿X、Y、Z 轴的平移量以及绕X 、Y 、Z轴的转动量。机构设计时需要保证在装配之后能进行调整。该系统中主镜和三镜为非对称球面，加工存在一定困难，即使镜片和结构加工的尺寸形位精度很高，但在装配过程中往往需要边装边调整。为使调整方便，在设计时就应考虑装调的方法，尽量通过结构件的调整来消除误差。 7）质量要轻。望远镜在满足光学系统的光学性能条件下，尽量减轻重量。8）结构形式。目前，光学仪器常用的支撑结构有薄壁式及桁架式两种。薄壁式常用于小型光学系统，而桁架式一般用于焦距较长、体积较大的大中型光学系统。本文所讨论的光学系统中，反射镜的口径最大为400mm，故本文考虑采用薄壁式结构。4.2 主镜支撑结构设计 主镜是望远镜的核心部件，其面形精度直接决定系统像质好坏，合理的支撑结构是保证主镜面形的关键。由于主镜采用了轻量化设计，轻量化反射镜的结构刚度随着轻量化率的提高而不断降低，自重和温度变化对其面形精度的影响更加明显。因此，为保证反射镜的面形精度，必须设计出合理的主镜支撑方案。设计支撑结构，主要包括结构形式的选择、支撑结构材料的选择、柔性结构的设计和主镜支撑背板的设计等。 大孔径反射镜支撑方案的制定，一方面要使三轴方向的结构刚度小，以增加柔性，提高在热环境下的面形精度;而另外一方面要使三轴方向的刚度大，以保证系统固有频率高于运载工具的固有频率，避免产生共振。大孔径反射镜支撑方案的难度主要体现在如何平衡刚度和柔性这对矛盾。本文的主镜采用柔性结构，柔节与托板螺接，而托板最终与遥感器整体连接，最终实现反射镜的固定。 目前，在各种反射镜系统中，最常用的支撑方式有四种：中心支撑、周边支撑、侧面支撑和背部支撑。对于中间没有通光孔径的圆形反射镜，一般采用周边支撑或背部支撑的方案。对于小口径反射镜来说，周边支撑是一种常见的支撑方式，这种方式工艺简单，容易实现，但反射镜定位精度差，而且要设计一个较大的镜室结构，成本大且加工周期长。对于200300 mm的中小口径反射镜也可以采用背部单点支撑的方式，对于大口径反射镜则通常采用背部3点或背部多点的支撑方案。这些支撑点采用柔性结构，一端粘结在反射镜背面，一端用螺钉固定在支撑背板上直接与望远镜相连。多点支撑通常有6点、9点、18点、36点等多种方案，其在地基望远镜的反射镜支撑中较为常用。 4.2.1 支撑点数量的理论计算及确定 空间反射镜镜面面形精度的保证，不仅与镜子本身的加工质量有关，而且与支撑结构合理与否也紧密相关。对于大尺寸空间反射镜，传统静定支撑方式已远远不能满足反射镜面形精度的要求，采用多点支撑方式、确定支撑点个数和位置成为大尺寸反射镜的研究重点。 反射镜多点支撑的研究可以通过应用理论研究和有限元分析的方法，来确定满足面形精度要求的最少点数。Couder 针对圆形平板反射镜通过大量的理论推导的得出如下公式23-24： （4-1） 式中，光学镜的“变形安