中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

离轴三反相机系统中，反射镜的面形精度与指向稳定性直接决定了成像质量。随着热辐射的不断提升，大长宽比矩形反射镜在热-力耦合环境下的面形保持问题日益凸显，传统刚性支撑方案难以兼顾应力释放与定位精度的矛盾需求。为此，本文以某离轴三反相机中一对尺寸为330×50 mm、间距要求15 mm的矩形共焦反射镜为研究对象，系统开展拼接式矩形反射镜柔性支撑结构的设计、优化与试验验证工作。
首先，针对反射镜长宽比接近7:1、两面镀膜及侧面支撑的约束条件，提出了上下各3点共6个双轴圆弧型柔性铰链的侧面多点支撑方案。柔性铰链采用空心圆柱主体与两组正交圆弧形柔性槽的结构形式，能够在两个正交方向上产生弹性变形，有效释放胶接应力、热应力及装配应力。完成了镜框、调节垫片、压块等辅助部件的设计，并依据热匹配性与强度要求，确定了材料选型方案。
其次，建立了基于多目标遗传算法的柔性支撑参数优化方法。选取柔性铰链安装位置及上下各5个结构尺寸共11个几何参数作为设计变量，以重力与5∘C升温耦合工况下的镜面变形RMS值和指向偏差为优化目标，基于SolidWorks参数化建模与ANSYS有限元仿真平台进行全局寻优。优化后单块反射镜在重力和温升条件下的镜面变形RMS为12.8 nm，指向偏差为0.29″，满足设计指标要求。
进而，将优化参数应用于两块反射镜的整体支撑结构，开展了热力耦合、模态、随机振动及冲击响应仿真分析。结果表明：在绕X轴和Y轴±30∘的范围内，两块反射镜的面形精度RMS均优于𝜆/30（𝜆=632.8 nm），指向偏差小于1″；整体支撑结构一阶固有频率为141.66 Hz，动态刚度良好；在5∼500 Hz随机振动激励下结构最大3𝜎应力为9.96 MPa，在20 g、10 ms半正弦冲击载荷下峰值应力为67.6 MPa，均远小于材料屈服强度。
最后，加工装配了试验样机，完成了胶接装配、高低温贮存（−41∘C至69∘C 各保温24小时）及三向随机振动试验。试验结果表明：胶接前后、高低温试验前后及振动试验前后，两块反射镜的RMS值和PV值变化率均在±5%以内，最大相对变化率为4.8%。试验结果与仿真分析具有较好的一致性，验证了柔性支撑结构在应力释放、热适应性和抗振性能方面的有效性与可靠性。
综上所述，本文所提出的大长宽比矩形反射镜侧面多点柔性支撑方案及基于多目标遗传算法的参数优化方法，能够有效提升反射镜在热-力耦合环境下的面形精度与结构稳定性。研究成果为离轴三反相机系统中类似光学元件的支撑结构设计提供了理论依据与工程参考。