红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度, 也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于 240 K的.450 mm反射镜组件进行结构设计, 反射镜材料为 SiC, 连接件材料为殷钢, 采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式, 并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析, 得到各参数对面形的影响曲线。优化后, 反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm, 径向重力面形 3.710 nm, 240 K低温面形 5.086 nm, 一阶模态 277 Hz, 轻量化率 89.4%。

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求, 提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象, 设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构, 并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法; 分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案, 有限元对比分析的结果表明, 采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉, 镜面面形精度较高, 并且由于结构简单, 其摆动组件的总质量更轻; 为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能, 同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标, 对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化, 优化结果显示, 加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大; 最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g, 结构的一阶谐振频率为217 Hz, 在-8 ℃温度载荷的作用下, 镜面面形的RMS为7.26 nm, 满足设计要求的同时, 反射镜实现了40.4%的轻量化率。

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.