為解決空間反射鏡鏡體質(zhì)量和面形精度在輕量化設(shè)計(jì)過程中會引起相互沖突的問題,針對某型離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的長條形主反射鏡進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,提出了一種基于Si C材料的中心支撐的輕量化結(jié)構(gòu),同時(shí)引入了多目標(biāo)集成優(yōu)化方法,以鏡體質(zhì)量（Mass）和面形（RMS）同時(shí)作為優(yōu)化目標(biāo),得到一個反射鏡最佳結(jié)構(gòu)模型,其質(zhì)量為2.32kg,輕量化率達(dá)到了73.8%;然后,對反射鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和說明,并對該組件進(jìn)行了仿真分析,在X、Y、Z三軸方向1 g重力工況下的RMS值分別達(dá)到2.5 nm、2.2 nm、7.3 nm,4℃均勻溫升載荷工況下的RMS值為3.2 nm,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的RMS≤λ/50（λ=632.8 nm）,滿足設(shè)計(jì)要求。 

【文章來源】：光電工程. 2020,47(08)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

反射鏡的初步設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)模型

目前，在反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，單目標(biāo)集成優(yōu)化方法已較為成熟，例如以鏡體結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以反射鏡柔性變形為設(shè)計(jì)約束，并以鏡體質(zhì)量或體積為設(shè)計(jì)目標(biāo)(或優(yōu)化目標(biāo))，可得到較優(yōu)結(jié)構(gòu)模型，但往往得不到發(fā)展全局最優(yōu)解，造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究空間的極大浪費(fèi)。為了解決該問題，應(yīng)考慮兼顧Mass和RMS的最小化兩個方面，充分利用設(shè)計(jì)空間，找到全局最優(yōu)解，獲得更好的設(shè)計(jì)綜合指標(biāo)的結(jié)果。文中反射鏡Z向(軸向)自重變形相比X向和Y向更顯著，其RMS值也較難滿足設(shè)計(jì)要求。因此，將Z向重力工況下的RMS值和Mass同時(shí)作為優(yōu)化目標(biāo)，而將X向和Y向重力工況下的RMS值作為約束條件，結(jié)合表2的設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文選用HyperStudy軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化算法采用軟件推介的全局響應(yīng)面算法(global response surface method,GRSM)，該算法默認(rèn)是處理多目標(biāo)優(yōu)化問題的，原理是內(nèi)部建立響應(yīng)面，每次迭代都會生成新的全局搜索而得到的設(shè)計(jì)點(diǎn)，利用新的設(shè)計(jì)點(diǎn)來更新此響應(yīng)面，在最佳響應(yīng)面上搜索出最優(yōu)點(diǎn)，因而可獲得很好的模型擬合，具有高效和實(shí)用特點(diǎn)。圖3為多目標(biāo)集成優(yōu)化流程圖。

反射鏡柔性支撐結(jié)構(gòu)包括錐套、柔性元件、背板、過渡角板等。如圖4所示，錐套是有一定錐度的套筒，具有一定的中心對稱的徑向尺寸變形，與反射鏡膠接，并將反射鏡與支撐結(jié)構(gòu)連接起來，其材料必須采用與反射鏡線脹系數(shù)相匹配的殷鋼(Invar)；如圖5所示，柔性元件采用一種雙軸圓弧柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，具有體積小、無機(jī)械摩擦、無間隙和高靈敏度傳動的特點(diǎn)，可通過自身的變形來改善鏡面由于熱應(yīng)力所造成的面形誤差[15]。該柔性元件分別連接錐套和背板，起到過渡作用，其材料則可以選用強(qiáng)度較高的鈦合金(TC4)；背板選用高體份材料(SiC/Al)，進(jìn)行輕量化后，再通過過渡角板與相機(jī)整體固定連接；過渡角板僅起連接作用，圖4未給出具體結(jié)構(gòu)形式。圖4 體支撐結(jié)構(gòu)爆炸圖

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]空間相機(jī)快速反射鏡的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[J]. 汪奎,辛宏偉,徐宏,任天賜.  紅外與激光工程. 2019(04)
[2]空間遙感器Ф2m量級大口徑SiC反射鏡鏡坯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 王克軍,董吉洪.  紅外與激光工程. 2017(07)
[3]中心支撐長條形反射鏡輕型優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 包奇紅,沙巍,陳長征,任建岳.  紅外與激光工程. 2017(07)
[4]長條形空間反射鏡鏡體及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 王曉宇,周平偉.  長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2017(02)
[5]空間長條形反射鏡背部三支撐點(diǎn)的設(shè)置[J]. 朱俊青,沙巍,陳長征,張星祥,任建岳.  光學(xué)精密工程. 2015(09)
[6]大孔徑長條反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 辛宏偉,關(guān)英俊,李景林,楊利偉,董得義,張學(xué)軍.  光學(xué)精密工程. 2011(07)
[7]小型輕質(zhì)長條反射鏡撓性支撐方案研究[J]. 辛宏偉.  光機(jī)電信息. 2010(07)
[8]國外空間用三反離軸相機(jī)發(fā)展分析與思考[J]. 張科科,阮寧娟,傅丹鷹.  航天返回與遙感. 2008(03)
[9]基于SiC材料的空間相機(jī)非球面反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 張學(xué)軍,李志來,張忠玉.  紅外與激光工程. 2007(05)
[10]大視場、長焦距離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 張亮,安源,金光.  紅外與激光工程. 2007(02)



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