胡 瑞，陳志強(qiáng)，張媛媛，徐 濤，劉 紅*，張繼友

Φ1.05 m輕量化反射鏡設(shè)計(jì)與制造

胡 瑞1，陳志強(qiáng)1，張媛媛1，徐 濤1，劉 紅1*，張繼友2

1中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所光學(xué)輕量化與新材料技術(shù)中心，四川 成都 610209；2中國航天科技集團(tuán)中國空間技術(shù)研究院北京空間機(jī)電研究所，北京 100094

針對(duì)Ф1.05 m空間光學(xué)系統(tǒng)主鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，提出了輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法，并建立了反射鏡結(jié)構(gòu)自動(dòng)化仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，基于此平臺(tái)確定了性能優(yōu)異的主鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。主鏡重量小于50 kg，輕量化率已接近國外先進(jìn)水平；主鏡在三球鉸支撐下的第一階模態(tài)頻率為361.2 Hz，自由狀態(tài)下的一階非零模態(tài)頻率為501.9 Hz；在1 ℃均勻溫度變化下，不去離焦和去除離焦之后的面形RMS分別為0.55 nm和0.10 nm；主鏡在30g過載加速度作用下的最大應(yīng)力為16.1 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。采用目前最先進(jìn)的第三代大口徑反射鏡加工工藝，路線為超精密銑磨—小磨頭數(shù)控研拋—離子束精修，實(shí)現(xiàn)主鏡面形誤差的確定性去除。為保證面形檢測(cè)結(jié)果的天地一致性，發(fā)展了重力卸載技術(shù)和面形誤差數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，剔除重力和其他系統(tǒng)誤差對(duì)檢測(cè)的影響。主鏡最終面形精度達(dá)到0.011RMS，獲得了高精度的光學(xué)面形，也證明了方案的合理性。

空間光學(xué)系統(tǒng)；輕量化反射鏡；優(yōu)化設(shè)計(jì)；光學(xué)加工

1 引 言

Ф1 m量級(jí)口徑空間光學(xué)系統(tǒng)已成為國內(nèi)外空間觀測(cè)領(lǐng)域[1-2]的核心力量，需求量大，應(yīng)用前景廣闊，是我國空間光學(xué)系統(tǒng)研制領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[3]。從發(fā)射成本考慮，空間光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)盡可能減輕結(jié)構(gòu)重量[4]?？臻g反射鏡作為空間光學(xué)系統(tǒng)的核心部件，對(duì)系統(tǒng)的總重量有直接的影響，而有效降低反射鏡的重量可大大降低系統(tǒng)的發(fā)射費(fèi)用[5-6]。在保證面形精度的前提下，空間反射鏡正朝著低面密度的方向發(fā)展，反射鏡輕量化成為一項(xiàng)重要的研究課題[7]。

在當(dāng)今的空間觀測(cè)領(lǐng)域，無論是太空觀測(cè)，還是對(duì)地觀測(cè)，美國均處于世界領(lǐng)先地位，已形成了成像偵察衛(wèi)星、信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星和天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成的四大航天偵察系統(tǒng)。目前分辨率最高的商業(yè)遙感衛(wèi)星WorldView-3和WorldView-4的分辨率達(dá)到了0.31 m，其主鏡為口徑Φ1.1 m的ULE(超低膨脹熔石英)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，面密度為37.4 kg/m2[8]，1976年隨著第一顆KH-11軍用偵查衛(wèi)星的發(fā)射升空，美國拉開了應(yīng)用圖像傳輸型照相偵察衛(wèi)星的序幕，從而獲得了衛(wèi)星實(shí)時(shí)偵察能力。KH-11偵查衛(wèi)星與Hubble空間望遠(yuǎn)鏡在光學(xué)系統(tǒng)方面頗為相似，被稱為“短粗型哈勃”偵查衛(wèi)星。其主鏡選用ULE輕量化反射鏡，口徑為Φ2.4 m。為獲取更詳實(shí)、細(xì)致的戰(zhàn)略情報(bào)，美國進(jìn)一步發(fā)展了改進(jìn)型KH-12、KH-13高分辨率光學(xué)偵查衛(wèi)星，據(jù)國外相關(guān)機(jī)構(gòu)分析，其口徑均已超過3 m，主鏡材料極可能為ULE。進(jìn)入21世紀(jì)后，歐洲和日韓等國家的光學(xué)成像衛(wèi)星發(fā)展迅速，技術(shù)水平取得了大幅提升，都已擁有了分辨率優(yōu)于1 m的光學(xué)成像衛(wèi)星[9-10]。

和發(fā)達(dá)國家相比，在空間光學(xué)遙感技術(shù)領(lǐng)域，我國發(fā)展較為落后。已在軌應(yīng)用空間光學(xué)系統(tǒng)的輕型反射鏡，口徑都比較小，且輕量化技術(shù)水平較低。目前國內(nèi)常用的空間光學(xué)系統(tǒng)反射鏡主要有SiC反射鏡和低膨脹玻璃反射鏡(ULE、熔石英、Zerodur)兩條技術(shù)路線。從事SiC輕量化反射鏡技術(shù)研究單位的主要有中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所(簡(jiǎn)稱中科院光電所)。中科院光電所也是國內(nèi)唯一從事低膨脹玻璃質(zhì)(熔石英、ULE)高輕量化反射鏡技術(shù)研究的單位，經(jīng)過數(shù)十年的不斷探索和研究，輕量化反射鏡研制能力得到較大提升。

本文面向Ф1.05 m空間光學(xué)系統(tǒng)主鏡研制項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)要求，開展了基于低膨脹玻璃材料主鏡的設(shè)計(jì)與制造相關(guān)的研究工作。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，針對(duì)Φ1.05 m主鏡嚴(yán)格的設(shè)計(jì)需求，若采用依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行仿真試算的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，不僅工作效率低，而且對(duì)結(jié)構(gòu)的性能提升十分有限。為解決此問題，本文提出了輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法，并建立了反射鏡結(jié)構(gòu)自動(dòng)化仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，基于優(yōu)化算法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋找更優(yōu)的反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在主鏡研制工藝方面，引入目前最先進(jìn)的第三代大口徑反射鏡加工工藝，路線為超精密銑磨—小磨頭數(shù)控研拋—離子束精修，實(shí)現(xiàn)主鏡面形誤差的確定性去除。為保證面形檢測(cè)結(jié)果的天地一致性，發(fā)展了重力卸載技術(shù)和面形誤差數(shù)據(jù)后處理技術(shù)來剔除重力和其他系統(tǒng)誤差對(duì)檢測(cè)的影響，獲得了滿足應(yīng)用需求的高性能輕量化反射鏡。

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)要求

根據(jù)項(xiàng)目的需求，對(duì)Ф1.05 m主鏡提出的設(shè)計(jì)要求如下：

a) 主鏡口徑Ф1.05 m，采用低膨脹玻璃材料，要求設(shè)計(jì)重量≤50 kg；

b) 主鏡采用三點(diǎn)嵌套球鉸支撐，要求在光軸水平各方向重力影響下面形RMS

c) 主鏡組件約束模態(tài)頻率>200 Hz，自由邊界條件下一階非零模態(tài)頻率>400 Hz；

d) 主鏡組件三個(gè)方向30g過載狀態(tài)下，主鏡組件各零件最大應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

目前，中科院光電所研制完成的Φ1 m量級(jí)空間低膨脹玻璃反射鏡主要有Φ1.07 m主鏡和Φ1.276 m主鏡，但二者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是地面36點(diǎn)卸載支撐的自重面形，而Φ1.05 m主鏡考慮了天地一致性問題，在自重面形幾乎同樣嚴(yán)格的情況下，要求在地面上采用和空間環(huán)境同樣的3點(diǎn)支撐。Φ1.05 m主鏡支撐點(diǎn)數(shù)顯著減少，而要求重量卻更輕，主鏡輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度和挑戰(zhàn)更大。

目前輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常采用的方式是依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行仿真試算，并人工調(diào)整參數(shù)來改進(jìn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)流程。這種方法效率低，工作量大，雖能夠得到合理的設(shè)計(jì)，但性能提升十分有限，且不一定最優(yōu)[11-12]。針對(duì)Φ1.05 m主鏡嚴(yán)格的設(shè)計(jì)需求，為進(jìn)一步提升主鏡性能，迫切需要研究更高效的反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

2.2 輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)

基于上述需求，本文提出了輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法，主要思想為：首先，根據(jù)反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入，采用對(duì)比優(yōu)選方法確定初步的設(shè)計(jì)構(gòu)型；然后，對(duì)反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，辨別出關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因子；最后，建立反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過優(yōu)化算法求解并確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

為了高效地實(shí)現(xiàn)新方法的設(shè)計(jì)思想，本文建立了輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)自動(dòng)化仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，以此平臺(tái)對(duì)反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，基本框架如圖1所示。平臺(tái)主要包括試驗(yàn)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化兩大核心功能，集成了反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的多個(gè)模塊，模塊調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞均為自動(dòng)化。其中，CAD模塊主要負(fù)責(zé)反射鏡的參數(shù)化建模、輸出幾何模型并更新幾何模型；CAE模塊主要負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)有限元分析、輸出求解的響應(yīng)數(shù)據(jù)和參數(shù)化建模；數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)輸出結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和面形計(jì)算；響應(yīng)關(guān)聯(lián)模塊主要負(fù)責(zé)建立各個(gè)響應(yīng)之間的關(guān)系式和簡(jiǎn)單計(jì)算。

優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠處理的設(shè)計(jì)參數(shù)類型主要包括：反射鏡結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、支撐(工作、卸載、檢測(cè))點(diǎn)位置、支撐力大小和方向、支撐結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、材料特性參數(shù)等。平臺(tái)能夠處理的設(shè)計(jì)約束和目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)類型主要包括：面形誤差RMS和PV值、重量、模態(tài)頻率、最大應(yīng)力和最大變形等。

基于最優(yōu)拉丁超立方算法[13]，對(duì)反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，辨別出關(guān)鍵的因子作為參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。以反射鏡的支撐點(diǎn)位置、總厚度、面板厚度、蜂窩格板間距和壁厚作為設(shè)計(jì)變量，以光軸水平工況下的自重面形RMS最小為優(yōu)化目標(biāo)，以反射鏡總重量為設(shè)計(jì)約束，建立優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型：

其中：x為設(shè)計(jì)變量；f為目標(biāo)函數(shù)；g, h為約束函數(shù)。并基于搜索與遺傳混合算法[14]對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，確定最優(yōu)的反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.3 主鏡結(jié)構(gòu)方案

針對(duì)六邊形、三角形、四邊形和扇形的輕量化方案，在自重面形、重量、應(yīng)力和制造工藝性等角度進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，確定主鏡采用綜合性能較優(yōu)的扇形輕量化形式。主鏡在外形輪廓設(shè)計(jì)上采用雙凹外形，減小了支撐處的附加彎矩，自重面形更優(yōu)。利用上述輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法，基于圖1所示的設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了Ф1.05 m主鏡的結(jié)構(gòu)方案，如圖2所示。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1中所示，設(shè)計(jì)重量為48.7 kg，滿足主鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(≤50 kg)，面密度為56.2 kg/m2，已接近國外先進(jìn)水平。

2.4 主鏡詳細(xì)性能分析

1) 光軸水平自重面形

主鏡采用三球鉸支撐，進(jìn)行性能分析時(shí)，在每個(gè)支撐孔內(nèi)僅約束軸向和環(huán)向的自由度，放松徑向自由度和各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。分別計(jì)算主鏡在光軸水平時(shí)的兩種姿態(tài)：一個(gè)支撐孔水平(a)和一個(gè)支撐孔豎直(b)，1g自重下的鏡面面形云圖如圖3所示，面形RMS分別為5.07 nm和4.78 nm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(

圖2 反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖

表1 Φ1.05 m主鏡輕量化結(jié)構(gòu)方案

圖3 主鏡光軸水平自重面形。(a) 姿態(tài)A；(b) 姿態(tài) B

2) 溫度面形

主鏡支撐孔內(nèi)粘接襯套后，在1 ℃均勻溫度變化下的面形圖如圖4所示，不去離焦和去除離焦之后的面形RMS分別為0.55 nm和0.10 nm，均滿足設(shè)計(jì)要求(RMS≤/300)。

3) 模態(tài)分析

主鏡在三球鉸支撐下，計(jì)算得到主鏡的第一階模態(tài)振型圖如圖5(a)所示，頻率為361.2 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求(>200 Hz)。主鏡在自由狀態(tài)下的一階非零模態(tài)振型圖如圖5(b)所示，一階非零模態(tài)頻率為501.9 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求(>400 Hz)。

4) 30g過載應(yīng)力

主鏡在三個(gè)方向30g過載加速度作用下的應(yīng)力云圖如圖6所示，主鏡的最大應(yīng)力為16.1 MPa，滿足結(jié)構(gòu)的安全性要求。

綜上，Ф1.05 m主鏡結(jié)構(gòu)方案的所有設(shè)計(jì)結(jié)果均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3 主鏡制造與檢測(cè)

主鏡鏡坯制備完成后，在光學(xué)加工階段采用目前最先進(jìn)的第三代大口徑反射鏡加工工藝對(duì)主鏡進(jìn)行加工，整個(gè)加工過程通過可視化設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)性檢測(cè)、高精度仿真、合理化數(shù)據(jù)技術(shù)處理，構(gòu)建全鏈路數(shù)字化加工體系，如圖7所示。

加工中采用的是超精密銑磨—小磨頭數(shù)控研拋—離子束精修的工藝路線，實(shí)現(xiàn)了主鏡面形誤差的確定性去除，加工時(shí)間3個(gè)月，如圖8所示。

由于主鏡內(nèi)部含有嵌套結(jié)構(gòu)，離子束加工時(shí)，氬離子經(jīng)過電磁場(chǎng)加速撞擊反射鏡表面后，與鏡子表面的原子發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，入射離子的大部分能量沉積在鏡體內(nèi)部，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，嵌套膠層性能容易受到影響。根據(jù)低膨脹玻璃材料熱性能參數(shù)和離子源運(yùn)行工藝參數(shù)，對(duì)主鏡嵌套位置的熱效應(yīng)進(jìn)行了分析。以=0.003 m/s的速度往返5次，運(yùn)行路徑間距分別取0.005 m和0.05 m時(shí)，計(jì)算得到嵌套位置的溫度分布分別如圖9(a)和9(b)所示，最高溫度分別為98.249 ℃和61.047 ℃。

圖4 主鏡1 ℃均勻溫度變化的面形圖。(a) 不去離焦；(b) 去除離焦

圖5 主鏡模態(tài)分析結(jié)果。(a) 一階約束模態(tài)；(b) 一階非零自由模態(tài)

圖6 主鏡過載應(yīng)力云圖。(a) 光軸豎直；(b) 光軸水平姿態(tài)A；(c) 光軸水平姿態(tài)B

圖7 大口徑反射鏡數(shù)字化加工鏈路

為滿足嵌套膠層的溫度不超過70 ℃的要求，加工工藝參數(shù)需要根據(jù)上述分析結(jié)果做優(yōu)化調(diào)整。最終，加工中的最高溫度為48 ℃，滿足了要求。

主鏡具有面密度小、面密度梯度較大的特點(diǎn)，為保證面形檢測(cè)結(jié)果的天地一致性，檢測(cè)方面發(fā)展了重力卸載技術(shù)和面形誤差數(shù)據(jù)后處理技術(shù)來剔除重力和其他系統(tǒng)誤差對(duì)檢測(cè)的影響。設(shè)計(jì)的重力卸載裝置如圖10所示，設(shè)計(jì)殘差優(yōu)于2 nm RMS。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)法對(duì)主鏡多個(gè)方向的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分離出鏡面上的系統(tǒng)誤差，包括殘余支撐變形誤差、干涉儀及補(bǔ)償器等輔助光學(xué)元件引入的非對(duì)稱誤差，獲得鏡面的真實(shí)面形誤差，從而指導(dǎo)光學(xué)加工。最終，面形精度達(dá)到0.011RMS，如圖11所示。

圖8 主鏡加工流程及面形精度控制目標(biāo)

圖9 主鏡嵌套位置離子束加工時(shí)的熱效應(yīng)。(a) 運(yùn)行路徑間距0.005 m; (b) 運(yùn)行路徑間距0.05 m

圖10 重力卸載裝置(a)及設(shè)計(jì)殘差(b)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)Ф1.05 m空間光學(xué)系統(tǒng)主鏡的研制技術(shù)要求，建立了輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，獲得了性能優(yōu)異的Ф1.05 m主鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，輕量化率已接近國外先進(jìn)水平。主鏡鏡面加工階段引入目前最先進(jìn)的第三代大口徑反射鏡加工工藝，路線為超精密銑磨—小磨頭數(shù)控研拋—離子束精修，實(shí)現(xiàn)了主鏡面形誤差的確定性去除。同時(shí)發(fā)展了重力卸載技術(shù)和面形誤差數(shù)據(jù)后處理技術(shù)來剔除重力和其他系統(tǒng)誤差對(duì)檢測(cè)的影響，以保證面形檢測(cè)結(jié)果的天地一致性。主鏡加工性能良好，最終面形精度達(dá)到0.011RMS。

圖11 Ф1.05 m主鏡光學(xué)加工后的面形精度

本文所提出的反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及所建立的設(shè)計(jì)平臺(tái)是通用的，也適用于其它空間或地基反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，新方法不僅能夠獲得性能更優(yōu)異的設(shè)計(jì)結(jié)果，而且能明顯提升設(shè)計(jì)工作效率。Ф1.05 m主鏡的高精度面形結(jié)果證明了方案的合理性。

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Design and manufacture of Φ1.05 m lightweight mirror

Hu Rui1, Chen Zhiqiang1, Zhang Yuanyuan1, Xu Tao1, Liu Hong1*, Zhang Jiyou2

1Lightweight Optics and Advanced Materials Center, Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;2Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, China Academy of Space Technology, China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100094, China

The mirror structure design scheme drawing

Overview:Ф 1 m magnitude space optical system has become the core strength in the field of domestic and overseas space observation. It has become one of the hotspots in the field of space optical system development in China because of its great demand and wide application prospect. Considering the launch cost, the space optical system should reduce the structural weight as much as possible. As the core component of the space optical system, the space mirror has a direct impact on the total weight of the system. Effectively reducing the weight of the reflector can greatly reduce the system's launch cost. Under the premise of ensuring the surface precision, the space mirror is developing towards low surface density. The lightweight of mirror has become an important research topic. Compared with developed countries, China lags behind in the field of space optical remote sensing technology. The lightweight mirrors which have been applied in orbit with space optical systems have relatively small aperture and low lightweight level.

In terms of the strict design requirements of Ф 1.05 m primary mirrors for space optical systems, a new method of structural optimization design of lightweight mirrors is proposed, and a platform for automatic simulation analysis and optimization design of mirror structures is established. The primary mirror design with excellent performances is determined based on that platform. The primary mirror weighs less than 50 kg, and the lightweight ratio is close to the foreign advanced level. The first mode frequency of the primary mirror under the support of three spherical hinges is 361.2 Hz, and the first-order non-zero free mode frequency is 501.9 Hz. Under the uniform temperature change of 1 ℃, the surface figures with defocus and without defocus are 0.55 nm RMS and 0.10 nm RMS, respectively. The maximum stress of the primary mirror under 30g overload acceleration is 16.1 MPa. All of these performances meet the design requirements. The most advanced third-generation large-aperture mirror processing technology is adopted, and the route is ultra-precision milling, CNC grinding and polishing of small grinding head, and ion beam finishing. In order to ensure the consistency of surface shape test results no matter in the space or on the ground, the gravity unloading technology and surface shape error data post-processing technology are developed to eliminate the influence of gravity and other systematic errors. The final surface shape accuracy of the primary mirror reaches 0.011RMS, which shows a high precision optical surface and demonstrates the rationality of the scheme.

Citation: Hu R, Chen Z Q, Zhang Y Y,Design and manufacture of Φ1.05 m lightweight mirror[J]., 2020, 47(10): 200317

Design and manufacture of Φ1.05 m lightweight mirror

Hu Rui1, Chen Zhiqiang1, Zhang Yuanyuan1, Xu Tao1, Liu Hong1*, Zhang Jiyou2

1Lightweight Optics and Advanced Materials Center, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;2Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, China Academy of Space Technology, China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100094, China

In terms of the strict design requirements of Ф1.05 m primary mirrors for space optical systems, a new method of structural optimization design of lightweight mirrors is proposed, and a platform for automatic simulation analysis and optimization design of mirror structures are established. The primary mirror design with excellent performances is determined based on that platform. The primary mirror weighs less than 50 kg, and the lightweight ratio is close to the foreign advanced level. The first mode frequency of the primary mirror under the support of three spherical hinges is 361.2 Hz, and the first-order non-zero free modal frequency is 501.9 Hz. Under the uniform temperature change of 1 ℃, the surface figures with defocus and without defocus are 0.55 nm RMS and 0.10 nm RMS, respectively. The maximum stress of the primary mirror under 30g overload acceleration is 16.1 MPa. All of these performances meet the design requirements. The most advanced third-generation large-aperture mirror processing technology is adopted, and the route is ultra-precision milling, CNC grinding and polishing of small grinding head, and ion beam finishing. In order to ensure the consistency of surface shape test results no matter in the space or on the ground, the gravity unloading technology, and surface shape error data post-processing technology are developed to eliminate the influence of gravity and other systematic errors. The final surface shape accuracy of the primary mirror reaches 0.011RMS, which shows a high precision optical surface and demonstrates the rationality of the scheme.

space optical system; lightweight mirror; optimization design; optical processing

TH74

A

胡瑞，陳志強(qiáng)，張媛媛，等. Φ1.05 m輕量化反射鏡設(shè)計(jì)與制造[J]. 光電工程，2020，47(10): 200317

10.12086/oee.2020.200317

: Hu R, Chen Z Q, Zhang Y Y,Design and manufacture of Φ1.05 m lightweight mirror[J]., 2020, 47(10): 200317

2020-08-20；

2020-09-16

胡瑞(1989-)，男，博士，主要從事光機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。E-mail：hurui7077@163.com

劉紅(1972-)，男，碩士，研究員，主要從事輕量化反射鏡研制技術(shù)和光學(xué)新材料技術(shù)的研究。E-mail：liuh@ioe.ac.cn

* E-mail: liuh@ioe.ac.cn