长光卫星技术股份有限公司，吉林 长春 130033
大口径长条形反射镜是大型离轴三反相机的核心部件之一，针对“吉林一号”宽幅01C星中通光口径为1250 mm×460 mm的主反射镜，系统论述了1.2 m量级大长宽比反射镜组件的结构设计方法，并对所研制的主镜开展了详细的验证。从材料属性和现有工艺出发，镜体材料选择反应烧结碳化硅，采用半封闭式轻量化形式，通过二目标全局优化确定了镜体结构参数的最佳组合，最终镜体设计质量为41.8 kg，面板厚5 mm、最薄加强筋仅厚3 mm。采用经典背部三点支撑方案，优化柔性支撑中的双轴柔性铰链结构参数以兼顾组件基频和热稳定性，并与镜体质心位置进行匹配。提出了主镜组件的装配流程和相应的消应力措施。测试结果表明：主镜在装调重力工况下全口径面形精度均方根值为0.016λ(λ=632.8 nm)，翻转180°后主镜全口径面形精度均方根值为0.019λ；实测主镜组件一阶基频为127.8 Hz，经大量级随机振动和高低温循环后，主镜面形精度均方根值基本不变。主镜组件具有良好的动、静力学特性，且面形精度高、稳定性良好，能够满足高性能空间光学系统的使用要求。
空间光学 大口径反射镜 碳化硅 离轴三反 “吉林一号”卫星 space optics large aperture mirror silicon carbide off-axis TMA "Jilin-1" satellite 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220363
北京空间机电研究所 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094
双脚架结构具有静定支撑的特点，可以隔离机械附加载荷，因此成为大口径空间相机反射镜组件的常用支撑形式之一。在地面装调时，采用双脚架支撑的反射镜的面形因重力作用而下降。空间相机入轨后，随着重力变形的释放，反射镜面形会再次发生改变。有限元分析方法评估反射镜组件的重力误差，其精度难以达到高质量高分辨率成像的要求。同时，反射镜加工过程中使用的重力卸载方案也难以沿用至组件阶段。针对重力误差测试过程中装配误差与三叶像差混叠以及检测光路对球差测试精度不足的问题，提出了翻转与卸载相结合的测试方案。基于不同像差的正交性，可以进行分别测试来逐项获取各像差。通过反射镜组建的翻转测试，分离装配误差与重力误差中的三叶像差。设计一定精度的卸载装置，通过卸载前后的对比测试，得到重力造成的球差等旋转对称像差。采取上述方案可以实现对全部重力误差的实测。利用1.3 m口径高轻量化反射镜组件进行了测试验证，其重力误差面形rms和在轨面形rms分别为0.192λ （λ=0.6328 μm）和0.023λ。
测量 大口径反射镜 零重力面形 重力翻转 重力卸载 measurement large aperture mirror 0 g surface figure gravity turnover gravity unloading 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210604
红外与激光工程
2021, 50(12): 20210117
1 云南北方光学科技有限公司，云南昆明 650200
2 昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500
为解决单点金刚石车削技术（single-point diamond turning，SPDT）应用于大口径大弦高非球面铝反射镜加工中遇到的车床导轨行程、工作台回转容积受限和加工质量较低的问题，针对?682mm 口径、弦高220 mm 的凹非球面铝反射镜加工，首先，提出基于SPDT 的三轴联动加工方法，在两轴加工基础上加入旋转B 轴进行协同加工，使得导轨行程和工作台回转容积能够满足加工需求。然后，设计专用笼状夹具，并通过有限元法研究支撑杆数量、杆径、上下连接板厚度参数对夹具-工件形变特征的影响，通过极差和方差分析研究不同因素对夹具-工件最大变形量影响的显著性，得到一组最佳夹具设计参数组合，即夹具支撑杆数量为24，杆径为22mm，上下连接板厚度为25mm。最后，将铝反射镜固定在优化后的笼状夹具上，通过三轴联动加工实现了对?682 mm 口径非球面铝反射镜的加工。对调刀件的检测结果表明：调刀件面形精度Pv 值为0.6 ?m，表面粗糙度Ra 约为10.1 nm，可认为682mm 口径非球面铝反射镜的面形精度和表面粗糙度均达到使用要求。本研究能够为同类大口径大弦高非球面反射镜的加工提供一定的理论基础和加工工艺技术参考。
大口径反射镜 单点金刚石车削 三轴联动加工 表面质量 large aperture mirror, single point diamond turnin
强激光与粒子束
2021, 33(9): 091002
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
为了同时满足激光装置对大口径反射镜面形精度和结构稳定性的控制要求,提出了一种反射镜多自由度解耦的多点夹持方式,通过限位实现对反射镜多自由度的控制,以此避免由夹持带来的附加面形。采用有限元法分析了所提方式的有效性,并通过实验验证了分析方法及该夹持方式的可行性,结果表明采用该反射镜夹持方式带来的附加面形较小,满足反射镜低应力附加夹持面形的要求。在此基础上,对45°倾斜放置的反射镜的面形进行了模拟,探究了不同夹持点位置分布对反射镜面形精度的影响规律,模拟结果表明:为了保证反射镜的面形精度,至少要有一个夹持点位于反射镜的长边。该研究成果对大口径反射镜夹持设计具有重要的指导意义。
光学设计 大口径反射镜 低应力夹持 面形精度 有限元模拟 中国激光
2020, 47(11): 1105004
1 北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094
2 北京空间机电研究所, 北京 100094
3 中国空间技术研究院卫星应用总体部, 北京 100094
反射镜的面形精度是保证空间望远镜成像质量的关键因素, 随着空间遥感器口径的增大以及光机结构的轻量化使得反射镜结构刚度越来越低, 从而使得反射镜的面形非常容易受到环境微振动的影响。然而, 遥感器在轨工作状态下, 星上具有多种振动源, 如步进电机、动量轮、机械制冷机等。为了研究扰动源对反射镜面形动态误差的影响, 提出了一种基于模态叠加和泽尼克多项式拟合的面形动力学响应分析方法。对于每一阶模态, 其光学表面的振型均可以表示为一组泽尼克多项式的线性组合, 并得到一组泽尼克系数。然后, 通过模态叠加法可以求出反射镜表面整体的动态面形误差, 该误差是由泽尼克系数所表示。由于每一项泽尼克系数对应明确的物理像差含义, 所以通过该方法可以方便地分析微振动引起的光学面形响应以及系统像差。
大口径反射镜 反射镜面形误差 泽尼克多项式 模态叠加 微振动 large-aperture mirror mirror surface error Zernike polynomials modal superposition micro-vibration 红外与激光工程
2019, 48(11): 1114001
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
空间遥感器的大口径反射镜的设计目标是高比刚度。为限制发射成本, 尽可能降低镜体质量; 为保证反射镜的功能需求, 尽可能提高镜体自身的刚度, 随着反射镜口径的增大, 反射镜的轻量化设计更加重要。针对某Φ2 m口径天基大口径反射镜镜体的轻量化设计, 采用了传统经验设计、拓扑优化设计和尺寸参数优化设计相结合的综合优化设计方法, 相对大口径反射镜镜体的传统轻量化设计方法, 这种综合优化设计方法可使设计结果快速收敛, 获得最优化的设计结构。采用综合优化设计方法完成镜体的优化设计后, Φ2 m口径天基大口径反射镜镜体的质量为326 kg, 镜体轻量化率高达82.5%, 单镜在光轴竖直状态, 在1 g重力载荷作用下, 取决于镜体刚度的评价镜体成像质量的镜面面形精度RMS值的变化量优于4.9 nm, 单镜在光轴水平状态, 在1 g重力载荷作用下, 镜面面形精度RMS值的变化量优于4.3 nm。结果表明, 镜体质量优于设计要求的340 kg; 镜面面形精度RMS值变化量优于设计要求的5 nm, 满足了镜体要求的高比刚度要求。
拓扑优化 大口径反射镜设计 尺寸参数优化 topology optimization design of large-diameter reflector CAE CAE size parameter optimization 红外与激光工程
2017, 46(7): 0718005
从惯性约束聚变系统高功率固体激光驱动器中具有典型意义的大口径激光传输反射镜的装配结构及其面形精度特点出发，对其波前误差进行了精细化建模分析，分别研究了粗糙度、纹波度和轮廓度的波前误差模型。在此基础上，进一步针对如何在装校过程中将装配应力产生的波前误差控制在合理范围内的问题，提出了方均根梯度与峰谷值相结合的波前误差评价和控制方法，并通过实验验证了其可行性，以期为我国神光-III主机装置大口径反射镜装校过程中波前误差控制提供科学指导方法。
激光器 高功率固体激光器 大口径反射镜 波前误差 精密装配 均方根梯度
1 清华大学机械工程系, 北京 100084
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
从惯性约束核聚变(ICF)装置中具有重要作用的大口径激光传输反射镜出发, 基于中国神光-Ⅲ主机装置的工程实践, 分析了大口径激光传输反射镜夹持工艺的技术现状和难点, 建立了大口径反射镜受夹持力变形的通用力学模型, 提出了基于挠性零件的全新低应力夹持工艺, 并利用有限元仿真和现场实验相结合的方法对挠性零件的力学特性进行了工艺效果验证。基于挠性零件的特点设计了新的全口径反射镜组件, 对比研究了新旧工艺下夹持力对面形畸变(波前误差)的影响。最后, 结合全新反射镜组件和夹持诱导畸变数值解耦方法构建了更加高效的完整装配工艺流程。该研究对解决大口径光学元件夹持诱导变形这一难题具有重要意义, 有望为建设下一代ICF装置提供更加高效、可靠的技术方案。
激光器 低应力夹持 波前误差 高功率固体激光器 大口径反射镜
