中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

大长宽比矩形反射镜是大型光学仪器(牛顿系统、卡塞格林系统等反射式光学系统的天文望远镜、离轴三反系统空间遥感相机、迈克尔逊恒星干涉仪等)的关键光学元件，其面形精度对系统成像有着重要的影响。本文针对某项850mm105mm口径的大长宽比矩形反射镜展开工程应用设计，旨在实现该大长宽比矩形反射镜的抗振消热支撑。反射镜工作温度为0-40℃，长宽比大的特征使得该反射镜对热力环境更加敏感，对支撑结构设计带来巨大的挑战。根据国内外众多有关矩形反射镜的设计案例，结合柔性支撑技术和胶接消热技术开展了以下研究工作： 

(1) 对反射镜镜体结构进行了设计，确定了反射镜材料、反射镜优选关键厚度尺寸，根据反射镜制备条件和工作条件，确定周边支撑作为最佳支撑方式，并初步拟定了支撑方案。 
(2) 周边支撑方式采用胶接技术在镜室和反射镜间布置胶层，能实现补偿温度变化、降低热应力、提高成像质量的目的。为了确定胶点固化对反射镜影响，建立了广义Maxwell模型模拟粘接剂胶点的固化力学行为，推导了力学模型的本构方程并通过有限元分析方法验证了该模型能正确反映胶点固化过程的应力变化。根据胶点固化位置对反射镜面形RMS影响拟定了胶点布胶方案。对布胶方案的有限元分析结果表明胶接前后反射镜面形精度RMS变化了1.57nm，与试验实测的点胶前后镜面面形RMS变化1.65nm的结果相近。随后加工了胶接结构样件，验证了胶接结构在高温加热和随机振动情况下的结构稳定性。 
(3) 对镜室支撑结构展开设计，建立了参数化支撑模型，确定了最优分底部刚性支撑点数量与支撑面大小和位置。针对热力环境中大长宽比反射镜在长度方向的热膨胀量远大于宽度方向的问题，提出了一种与导轨结合的复合柔性结构，使大长宽比反射镜能在长度方向自由膨胀以释放热应力。对柔性结构柔节的关键尺寸进行了优化设计，分析了柔节刚度特性并确定了柔节的综合最优尺寸。随后对反射镜整体组件进行了静力学分析、模态分析和随机振动分析，结果表明反射镜在自重和40℃温升情况下能达到面形精度RMS=6.94nm、一阶固有频率121.6Hz的支撑效果，满足反射镜设计要求。随机振动3σ应力响应最大应力值224.86MPa，远小于所采用材料的屈服应力，具有足够的安全裕度。 
(4) 根据设计方案加工制备了反射镜整机力学样机，基于要求的使用条件展开了高低温环境适应性试验和车载试验，试验结果表明反射镜偏转均小于100urad，结构稳定性良好。由于试验条件和工程周期原因，待开展反射镜面形检测实验和振动扫频试验，但已完成的试验能在一定程度上证明反射镜支撑结构设计的合理性、方案的工程可实现性和实用性。 

本论文采用胶接技术和柔性支撑技术实现了对近1m长的大长宽比矩形反射镜的消热抗振稳定支撑，可以为同类型大长宽比反射镜提供设计依据，同时也能为其它光学系统提供设计参考。