一种大口径高轻量化玻璃反射镜

摘要

一种大口径高轻量化玻璃反射镜，采用微晶玻璃材料的圆形结构，圆形结构的正面为反射面(3)，背面为减轻凹面(4)，反射面(3)为非球面且非球面上各点的曲率半径R满足特定关系式，减轻凹面(4)为球面且球半径为反射面(3)上的中心点及至少两个边缘点的曲率半径的平均值。圆形结构的周向位置开减轻孔(2)且减轻孔(2)沿反射镜(1)的圆周方向均匀分布。本发明首次提出了一种应用于玻璃反射镜的双凹加周向阶梯型减轻孔的轻量化思路，在保证反射镜刚度的情况下，使得大口径反射镜的质量大大减轻，缓解了装调和卸载难度，同时也减少了卫星有效载荷的重量，降低了发射成本。

说明书

技术领域

本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种大口径反射镜的轻量化构型， 可应用于星载大口径玻璃反射镜的设计与制备。

背景技术

星载光学遥感器镜头的口径不断增大，对大口径反射镜的轻量化提出了更 高要求。目前，大口径玻璃反射镜一般采用在背部加工开放式或半封闭式减轻 孔(槽)的方式来实现轻量化。开孔类型包括：圆型孔、蜂窝孔、方形孔、三 角形孔、扇形孔等。

反射镜多为圆盘形状，沿圆盘轴向刚度很强，沿圆盘径向刚度相对较弱， 反射镜主要产生的变形为沿径向方向的弯矩变形。因此，沿背面开孔对于反射 镜径向刚度的影响要远远大于沿反射镜周向开孔。为了弥补背面开孔对其刚度 的影响，反射镜开孔类型多设计为三角形、蜂窝型等力学稳定形状，这样又对 加工造成了很大的难度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种周向开孔背 部凹面设计的轻量化玻璃反射镜结构，可以大大减少反射镜轻量化对其刚度的 影响，同时也降低了反射镜轻量化加工的难度。

本发明的技术解决方案是：一种大口径高轻量化玻璃反射镜，反射镜为微 晶玻璃材料的圆形结构，所述圆形结构的正面为反射面，背面为减轻凹面，反 射面为非球面且非球面上各点的曲率半径R满足如下关系式，

$R=\frac{{(1+y^{\prime 2})}^{3/2}}{\left|y^{\prime \prime }\right|}=\frac{{(1+f^{\prime }{\left(x\right)}^2)}^{3/2}}{\left|f^{\prime \prime }\left(x\right)\right|}$

其中y＝f(x)为反射面的曲线方程，并存在一阶导数f′(x)和二阶导数f″(x)；减轻 凹面为球面且球半径为反射面上的中心点及至少两个边缘点的曲率半径R的平 均值；所述的圆形结构的周向位置开减轻孔且减轻孔沿反射镜的圆周方向均匀 分布。

所述的减轻孔为阶梯状且阶梯过渡面交接处留有圆角。减轻孔的最大深度 不大于阶梯状最小台阶宽度的6倍。

所述的减轻凹面非抛光，非镀膜。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了一种更为优化的反射镜的轻量化方式，在相同轻量化程 度下，背部减轻凹面加周向开减轻孔的轻量化形式比背部开轻量化孔的方式拥 有更好的力学性能；

(2)本发明背部减轻凹面周向开减轻孔的轻量化形式使反射镜的加工更为 简单，降低了反射镜制造成本，缩短了加工周期；

(3)本发明的轻量化方式使大口径反射镜的质量大大减轻，缓解了装调和 卸载难度，同时也减少了卫星有效载荷的重量，降低了发射成本。

附图说明

图1为本发明反射镜正向剖视图；

图2为本发明反射镜侧向剖视图；

图3为本发明反射面曲线与减轻面曲线的曲线圆整近似图；

图4为本发明反射镜的减轻孔包络图。

图中1为反射镜，2为减轻孔，3为反射面，4为减轻凹面，5减轻面曲线， 6为反射面曲线，a镜体厚度，h剩余材料厚度。

具体实施方式

本发明设计的大口径高轻量化玻璃反射镜1，其力学原理主要依照材料力学 “梁”的弯曲变形理论。即变形大小与截面的惯性矩成反比；而惯性矩又与材料 的几何分布有关：越是向沿弯曲方向上下两面分开，其惯性矩就越大；反之， 越是向中心层集中，其惯性矩就越小。因此本发明的反射镜1设计为双对称凹面 (正面反射面3，背部减轻凹面4)周向开减轻孔2的轻量化形式。

由于微晶玻璃的热稳定性良好，反射镜1的主体材料采用微晶玻璃。用去 除材料方式加工减轻孔2，减轻孔2位于反射镜1的周向位置并沿反射镜1圆 周方向均匀分布。反射镜1背面设计减轻凹面4，并与正面反射面3成对称形 状。整个反射镜1为均匀对称方式设计，保证反射镜1的力学性能、温度特性 均匀分布，更有利于反射镜1的面型精度的保证，使反射镜1的装调更为简单。

正面反射面3的面型通过光学设计确定，多为非球面结构。减轻凹面4通 过对反射面3面型参数进行简化和圆整，采用与反射面3面型近似的球面形状。

由于反射镜1的反射面3为圆周对称结构，因此可将三维反射面3简化为 二维反射面曲线6，通过将反射面曲线6圆整为减轻面曲线5的方法获得减轻 凹面4的球面半径。根据非球面反射镜反射面的特点，反射面曲线6曲线方程 的幂次大于等于二次，且为连续曲线，所以反射面曲线6存在二阶导数。

反射面曲线6在某一点的曲率半径为R，R通过以下公式求得：

$R=\frac{{(1+y^{\prime 2})}^{3/2}}{\left|y^{\prime \prime }\right|}=\frac{{(1+f^{\prime }{\left(x\right)}^2)}^{3/2}}{\left|f^{\prime \prime }\left(x\right)\right|}---\left(1\right)$

其中y＝f(x)为反射面曲线6的曲线方程，反射面曲线6存在一阶、二阶导数分 别为y′＝f′(x)，y″＝f″(x)。

为使减轻面曲线5与反射面曲线6更为近似逼近，可选正面反射面3内若 干点处进行曲率半径求解，取平均值作为减轻面曲线5的圆弧半径，曲率半径 求解点的选取必须包括反射面曲线6最凹处顶点O点和反射镜1的最大轮廓边 界点M、N两点(如图3所示)，MN亮点间的直线距离长度等于反射镜1的直 径，其余各点可在MN两点之间的反射面曲线6上选取，各选取点要相对O点 左右对称且成对出现，选取点尽量在反射面曲线6上均匀出现，以保证减轻面 曲线5与反射面曲线6在反射镜1直径范围内近似逼近。

减轻凹面4不做剖光和镀膜处理。这样大大减少了反射镜的加工难度，缩 短加工周期。

减轻孔2设计需满足整个反射镜1的刚度要求，图4为反射镜1上减轻凹 面4与减轻孔2位置关系的示意图，镜体厚度a和剩余材料厚度h由反射镜1 设计所需的高度决定。通常镜体厚度a通过反射镜1的镜厚比初步确定，镜厚 比与反射镜1所用材料有关，根据微晶玻璃材料的物理特性，常用镜厚比在8-10 之间。材料厚度h为反射镜1加工完成减轻凹面4与减轻孔2所剩余的单边材 料厚度，通过控制剩余材料厚度h保证反射镜1有足够的刚度。通常余材料厚 度h初始设计时与反射镜直径成正比关系，在直径500mm到1m之间的反射 镜的剩余材料厚度h在2-5mm之间。反射镜1初步设计后，通过物理性能的 计算及有限元仿真，反复迭代设计参数，最终确定设计结果。

根据图4所示，为便于加工，减轻孔2多选规则形状，其尺寸形状确定不 得超减轻面曲线5与反射面曲线6向反射镜1内偏移剩余材料壁厚h所产生的 包络区域。本发明中，减轻孔2为阶梯形状，阶梯大小随反射镜1中减轻面曲 线5与反射面曲线6所确定的厚度变化而变化，保证反射镜1的材料壁厚基本 一致，减轻孔2四周材料厚度基本一致。基本参数确定后，通过计算仿真手段 校核反射镜1材料壁厚满足其刚度要求，减轻孔2采用阶梯形状且最大深度不 大于靠近圆心方向最内侧台阶宽度的6倍，这样设计使反射镜的加工更为简单， 减轻孔2各个面交接处设计相应的工艺圆角，加工方便的同时也避免了尖角处 产生应力集中，使反射镜1具有更好的力学性能。

通过上述方案得到反射镜1具有较好的力学性能，轻量化率达到75％以 上。

实施例

设计反射镜1的最大直径546mm，反射镜1毛坯材料采用热稳定性良好 的微晶玻璃材料。反射镜1的反射面3面型由系统光学设计决定，其非球面面 型方程：y＝2054.76X+0.028485X²，反射镜镜厚比参数设置为8，得到镜体厚 度a约等于69mm。根据非球面方程确定反射曲线6最凹处顶点O的X位置为 -36067.4，根据反射镜1的最大直径546mm，反射曲线6两端的X位置分别 为：-35794.4和-36340.4。根据此三点X的值，通过公式(1)得出反射曲线 6此三点处的曲率半径，将三个曲率半径取平均值得到减轻面曲线5的半径为 1021.97mm，保证减轻凹面4与反射面3对称分布且面型相似。

反射镜1以三点方式支撑固定，沿圆周方向设计三个固定孔，其余圆周位 置均匀布置减轻孔2，根据材料壁厚近似均匀原则，根据反射镜1直径并通过 物理性能的计算及有限元仿真得到剩余材料厚度h＝2.1mm。减轻孔2四边材料 壁厚近似等于剩余材料厚度h，根据此参数减轻孔2安放共15组，减轻孔2 最大深度设计为最小台阶宽度的5.8倍。根据反射镜1轴线厚度变化设计减轻 孔2由四个台阶组成，台阶尺寸与反射面1和减轻凹面4面型参数相关，根据 台阶尺寸设计减轻孔2各面交接处圆角尺寸为R＝5mm。通过计算仿真确定反 射镜1的基本材料厚度保证其力学性能。

依据此轻量化方案设计的反射镜已加工完成。经过测试：轻量化率大于 75％，光轴水平条件下，反射镜面形精度优于0.02λ，满足使用要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。