随着空间技术的快速发展, 对大尺寸空间反射镜部件的需求愈发强烈。本文从材料和制备技术角度分析了大尺寸碳化硅反射镜的发展趋势, 并以 Φ1.0 m口径常压烧结碳化硅拼接式技术验证镜研制过程为例, 对拼接式反射镜的分块镜设计制备、连接、光学加工等过程进行了探讨。此外, 结合实际的工程化应用需求, 对 1.0 m口径碳化硅拼接式技术验证镜进行了包括热真空、振动和抗辐照等在内的环境模拟试验。试验结果表明: 通过合理的制备技术, Φ1.0 m口径的碳化硅拼接式技术验证镜光学加工后面形 RMS达到了 0.038λ (λ=632.8 nm), 经历热真空和振动的环境模拟考核后, 其面形 RMS分别为 0.037λ和 0.036λ; 此外, 拼接式反射镜经过 60Co γ射线辐照测试后, 反射率指标基本保持不变, 显示了良好的工程应用前景。

在深低温下的反射镜及其支撑结构设计中, 温度变化作用下的面形精度是空间反射镜性能的重要影响因素。以温度变化作用下的面形RMS为性能指标, 基于碳化硅反射镜不同支撑结构和不同材料搭配形式下对空间反射镜的面形变化进行对比研究。首先, 在深低温下对背部支撑和侧面支撑的以下两种情况进行仿真分析: (a)反射镜和支撑结构都用碳化硅制造; (b)反射镜用碳化硅制造, 支撑结构用其他材料制造。仿真分析得到在(a)条件下背部支撑结构能获得更好的面形, 在(b)条件下, 侧面支撑结构能获得更好的面形; 然后对侧面支撑结构中不同材料搭配情况下对面形精度的影响进行研究, 对面形RMS与反射镜材料的线膨胀系数, 支撑结构材料的线膨胀系数和反射镜材料与支撑结构材料的线膨胀系数之差的绝对值之间的关系用多元线性回归方法进行统计分析, 研究其影响程度, 分析得到线膨胀系数之差的绝对值对面形精度RMS的影响更大。研究取得的成果和研究思路对今后的深低温光学反射镜及其支撑结构设计提供参考。

针对传统反射镜无法消除加工及装配应力, 长期使用后面形精度下降不能满足使用要求的问题, 提出了一种高稳定性空间反射镜支撑结构的解决方案, 进行了具有大容差特性的1.5 m口径高精度空间反射镜工程化研究和创制。依据经验和理论, 完成了初始反射镜组件构型, 反射镜的材料选用RB-SiC, 采用三角形背部半开口反射镜轻量化形式和背部三点膜片型柔性支撑结构。以装配误差0.01 mm的9种工况下反射镜的面形RMS变化量最小为目标, 利用isight软件对反射镜支撑结构的主要尺寸进行了优化设计。最终完成了轻量化率为82.1%, 组件质量为170.23 kg的反射镜的研制。试验结果表明：反射镜在1 g重力作用下, 面形精度RMS优于0.016λ(λ=632.8 nm); 加入0.02 mm强迫位移模拟装配误差, 面形RMS仍然为0.016λ; 在20 ℃±5 ℃温变环境下, 面形RMS变化量在0.002λ范围内; 组件一阶固有频率为101.3 Hz。反射镜组件静态刚度、动态刚度、面形精度以及环境适应性满足空间工程应用要求。

在地面环境检测的空间反射镜面形主要是镜面加工残差和重力支撑变形等耦合的结果.为实现1.2 m轻量化空间反射镜的重力支撑变形分离, 通过测量镜面在等梯度支撑力下的面形, 由镜面力学响应得到镜面畸变和支撑力变化的关系, 以此作为界定有限元分析结果和优化有限元模型的依据.将由修正模型得到的重力支撑面形畸变从反射镜面形检测结果中移除, 即可得到反射镜加工残差.研究表明, 修正后的模型对100 N支撑力变化引起的面形畸变与实测结果误差≤0.001λ, 面形检测为1/30λ的空间反射镜, 其无重力和支撑影响的加工残差优于1/40λ.该结果不仅能指导反射镜面形的高精度抛光, 还可提高最终系统装调精度.

基于特定的轻量化形式和支撑结构, 采用有限元方法研究了口径为500 mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响, 确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23, 指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状, 当重力沿径向作用时, 增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明, 柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素, 要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求; 背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小, 且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感; 支撑长度主要影响结构的动态刚度, 减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750 mm, 对口径小于750 mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.

为了实现尺寸为1 200 mm×484 mm的大长宽比长条形空间反射镜的无热装配, 减小反射镜面形精度受热应力的影响, 本文对环氧胶(GHJ-01(Z))胶层厚度对反射镜面形的影响及胶层在静、动力学载荷下的应力进行了研究。首先, 介绍了现有的几种基于胡克定律推导的无热粘结厚度方程及其假设条件, 并推导了带有锥度的背部盲孔反射镜无热粘结胶层厚度的方程, 得出无热粘结胶层厚度曲线; 然后, 建立了6种不同胶层厚度的反射镜组件模型并进行了分析与比较。通过分析, 在+5 ℃温升工况下, 反射镜胶层厚度为007 mm时具有最好的面形精度, 其RMS值00178λ, 其检测方向在自重作用下的面形精度RMS值为00173λ, 一阶频率为22017 Hz; 最后对胶层无热化设计后的反射镜组件进行了振动试验和粘结剂剪切强度试验, 分析与试验表明: 反射镜组件一阶频率为2164 Hz, 与有限元分析结果相对误差为171%; 满足动静态刚度要求; 同时, 在动力学载荷下该厚度胶层的应力均小于其固化后的抗剪强度, 安全裕度为246; 各项指标满足设计要求。

采用背部三点支撑方式的空间光学遥感器长条形反射镜目前尚无普遍适用的支撑点设置方法,只能对某一确定尺寸和长宽比的反射镜进行专门设计。本文提出了基于规则模型的、以参数化模型为核心的集成参数化设计方法,并建立了长条形实体反射镜背部三点支撑集成参数化模型。在集成环境中通过试验设计、响应面分析等方法对设计参数进行了分析和优化,结果表明在轴向重力工况,镜面面形峰谷(PV)值优于λ/10 (λ=632.5 nm)的设计要求下,长条形碳化硅反射镜背部三点支撑的最大适用尺寸为1 m。文中给出了最优支撑点布置,并确定了厚径比最优为1/10。最后,对集成参数化分析方法进行了精度分析,结果显示该方法整体误差为6.13%。提出的方法确定了空间长条镜背部三点支撑的适用范围,提供了支撑点最佳布置,为空间相机不同尺寸要求的长条镜设计打下了基础。

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响, 采用高体份SiC/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先, 通过合理的结构设计及有限元分析比较, 确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数, 然后, 对反射镜组件进行了静力学和动力学分析, 在1 g重力载荷作用下, 反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为126, 127, 126 nm, 达到了λ/50(λ=6328 nm)。最后, 为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力, 对反射镜组件进行了力学试验, 反射镜组件的一阶谐振频率为5566 Hz。力学试验前后, 反射镜镜面面形误差RMS分别为0021λ、0025λ,没有明显变化。实验结果表明: 高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求, 能够满足空间应用。