摘要
从上世纪六十年代，人类开始使用航天器进行深空探测或对地观测，以求对宇宙中存在的物质、现象或其起源等有更加深入的认识与了解。相机系统是航天器的主要载荷，而由于其中的光学反射镜的面形精度很大程度上决定了相机系统的成像质量，因此成为相机系统中的核心组件。目前，随着国家对深空探测精度要求的提高，望远镜技术的要求也越来越高，即空间相机需要有更高的清晰度和分辨率要求。而增大相机系统中反射镜的口径是达到这一目的有效的途径。反射镜的直径在增加，但是光学系统的要求没有变化甚至是要求越来越小，也就是说，几米口径的反射镜要与几十厘米口径的反射镜达到相同的精度。为了达到这一目的，我们需要更高的技术，其难度也变得非常高。 随着反射镜口径的增大，反射镜的重量必然也会急剧增加，这也会导致反射镜的支撑系统体积变大，进而反射镜组件系统对载荷和温度的敏感度也增加。但是由于卫星承载能力的限制，相机系统需要在满足光学要求的条件下尽可能做到最轻。这就需要对反射镜及其支撑系统中体积较大的结构进行高程度的轻量化，以寻求重量与强度、刚度均达到要求时的最优化设计。因此，反射镜的高轻量化和柔性支撑结构的最优化设计是保证反射镜系统高精度和高可靠性的关键性技术。 首先，本文阐述了大口径反射镜的轻量化设计方法以及柔性支撑原理，并根据光学系统设计指标，给出了所研究反射镜组件应满足的各项技术指标。本文根据反射镜的设计要求，确定了某光学系统中口径为845mm的第三反射镜的支撑方式并对反射镜进行初始参数的设计，对比分析了常用反射镜材料的性能，最终选择反射镜材料选为SiC材料。运用有限元方法，寻找最佳支撑位置。然后根据指标要求，运用拓扑优化的方法对反射镜进行轻量化设计，在保证反射镜面形不变的情况下使反射镜材料达到最优分布。并在拓扑优化过程中施加工艺约束来控制拓扑结果，保证反射镜能够容易加工制造。将拓扑优化结果与传统轻量化结构形式进行对比分析，得到反射镜经拓扑优化后比传统三角形轻量化率降低了12％，而反射镜面形基本保持不变。 本文反射镜采用侧边三组A-frame支撑结合背部六点支撑的复合支撑结构。建立经轻量化设计后的反射镜与支撑结构的参数化模型，通过Isight集成优化联合Solidworks、ANSYS、MATLAB等软件，运用Isight内部优化算法对支撑结构的关键参数进行尺寸优化设计。通过传统经验设计结合尺寸优化、拓扑优化等参数化优化方法，对支撑结构进行了自动高效的参数化优化。 在对反射镜系统中各个组件进行设计装配完成之后，为验证其整体结构的光学性能和力学性能，进行了静力学和动力学有限元仿真模拟分析。静力学分析验证反射镜组件在光轴水平及光轴竖直时在1g重力作用及±2℃温升作用下的有限元分析，得到在静力学工况下，反射镜组件总体及各部分刚体位移均满足要求，反射镜面形值RMS最大为7.94nm，PV值最大为41.18nm，均满足设计要求。进行模态分析后提取结构的一阶固有频率为174.97Hz，且前三阶模态频率较为接近。正弦和随机振动分析显示各组件所产生的最大应力均较小，在受到所给激励条件时不会遭到破坏。以上分析验证了反射镜及其支撑结构均满足刚度与强度要求，在复杂振动载荷条件下结构不会发生破坏，动力学性能良好，且反射镜组件总重164.42kg，满足质量要求。
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