CN107561610B

CN107561610B - 一种反射镜及其结构优化方法

Info

Publication number: CN107561610B
Application number: CN201710896271.3A
Authority: CN
Inventors: 李宪斌; 郭疆; 邵明东; 孙继明; 朱磊; 齐洪宇; 龚大鹏; 周龙加; 王浩; 李元鹏
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: CN107561610A

Abstract

本发明提供了一种反射镜，其中，所述反射镜的背面设置有背部筋板，所述背部筋板上设置有贯穿所述背部筋板的镂空孔。本发明提供的反射镜，在反射镜的背面设置有背部筋板，并且在背部筋板上设置有贯穿所述背部筋板的镂空孔，在保证反射镜整体刚度的同时，大大减轻了反射镜的重量，符合大口径反射镜对刚度和重量的综合要求，为大口径空间光学遥感器的研制创造了条件。另外，本发明还提供了一种反射镜的结构优化方法。

Description

一种反射镜及其结构优化方法

技术领域

本发明属于空间光学遥感技术领域，尤其涉及一种反射镜及其结构优化方法。

背景技术

随着空间技术的快速发展，大视场和高分辨率是空间光学遥感的主要发展趋势，大口径和长焦距成为主要的研究方向之一。空间光学遥感器中的反射镜作为决定光学性能的重要元件，随着口径的不断变大，其重量也不可避免的大幅增长。

由于火箭运载能力以及发射成本等方面的制约，航天器上的有效载荷需要严格控制重量，重量成为空间光学遥感器的重要技术指标之一。对于空间光学遥感器，既要求其口径大，同时又要求其重量轻，这是相互矛盾的目标，因此对于口径较大的反射镜，一般都需要采用轻量化技术，提高其综合性能。

目前的反射镜轻量化结构，从总体上讲，反射镜的镜体构型有背部封闭型和背部开放型，背部封闭可以有效提高反射镜的刚度；从局部看，主要是指反射镜背部轻量化孔的形状，通常可以采用三角孔、六边形孔(蜂窝形孔)、扇形孔等形式，其中三角形轻量化孔的综合性能最好，应用最为广泛。目前一般口径较小的反射镜采用这些轻量化方法设计即可满足要求，但对于大口径反射镜来说，简单靠目前的这些轻量化方法进行轻量化设计，难以在保证反射镜面形精度的同时满足严苛的重量要求。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种能够适用大口径反射镜并且重量较轻的反射镜及其结构优化方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种反射镜，所述反射镜的背面设置有背部筋板，所述背部筋板上设置有贯穿所述筋板的镂空孔。

一些实施例中，所述镂空孔为圆形通孔或椭圆形通孔。

一些实施例中，所述背部筋板为呈三角形相互交叉排列的筋板。

一些实施例中，所述反射镜背面还设置有背部矮筋板，所述背部矮筋板与所述背部筋板相互嵌套交叉设置。

一些实施例中，所述背部矮筋板为与所述反射镜的镜面同心的弧面。

一些实施例中，所述背部矮筋板的高度为从反射镜的背面伸出20-40mm。

一些实施例中，所述反射镜的边缘为拱形边缘，所述拱形边缘的筋板上设置有背部面板。

本发明还提供了一种反射镜的结构优化方法，包括，根据反射镜的口径大小，确定反射镜的基本形状，并通过有限元法分析并优化反射镜的面形精度；根据反射镜的背部筋板的排列方向，在相邻两个背部筋板的中间位置对背部筋板进行镂空处理，得到本发明提供的反射镜

一些实施例中，所述有限元法分析并优化反射镜的面形精度，包括：

步骤1、建立反射镜三维模型；

步骤2、建立有限元分析模型；

步骤3、分析求解；

步骤4、分析结果后处理；

步骤5、面形精度评价；

若步骤5的面形精度评价满足指标，则结束反射镜的面形精度的设计；

若步骤5的面形精度评价不满足指标，则返回步骤1。

一些实施例中，所述反射镜的结构优化方法包括，根据反射镜的球面曲率和反射镜的镜体厚度，确定镂空孔的大小。

本发明的有益效果在于：本发明提供的反射镜，在反射镜的背面设置有背部筋板，并且在背部筋板上设置有贯穿所述背部筋板的镂空孔，在保证反射镜整体刚度的同时，大大减轻了反射镜的重量，可以满足大口径反射镜对刚度和重量的综合要求，为大口径空间光学遥感器的研制创造了条件。

附图说明

图1是本发明一个实施例中，有限元法分析并设计反射镜的面形精度的流程图。

图2是本发明一个实施例中，反射镜的整体结构示意图。

图3是本发明一个实施例中，反射镜的背部矮筋板的结构示意图。

图4是本发明一个实施例中，反射镜的边缘结构示意图。

图5是本发明一个实施例中，反射镜的面形分析结果示意图。

图6是传统设计思想下，反射镜的整体结构示意图。

附图标记：

背部筋板 10；镂空孔 20；背部矮筋板 30；拱形边缘 40。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1至附图6详细说明一下本发明提供的反射镜及其结构优化方法。

如图2、图3和图4所示，本发明为了解决现有技术中的反射镜设计不能满足大口径反射镜的刚度和轻重量双重要求的技术问题，提出了一种反射镜，该反射镜的背面设置有背部筋板10，背部筋板10上设置有贯穿该背部筋板10的镂空孔20。

一些实施例中，为了避免镂空孔20的存在造成反射镜的应力集中的问题，一般可以将镂空孔设计为圆形通孔或者椭圆形通孔。同时，可以根据反射镜的球面曲率和反射镜的镜体厚度来确定镂空孔20的大小。

如图2所示，镂空孔20沿垂直于背部筋板10的方向设置，并设计为贯穿所述背部筋板10的通孔。

在本发明的一个实施例中，背部筋板10为呈三角形相互交叉排列的筋板。如此，背部筋板10相互之间形成三角形孔，进一步提高了反射镜的整体刚度，同时又减轻了反射镜的重量。

进一步，在一些实施例中，如图2所示，在反射镜的背面还设置有背部矮筋板30，背部矮筋板30与背部筋板10相互嵌套交叉设置。如此，通过增加反射镜背部矮筋板30，进一步加密了由背部筋板10形成的三角形孔的网格密度，进一步提高了反射镜的整体刚度，又不会过多增加反射镜的重量。

一些实施例中，背部矮筋板30为与反射镜的镜面同心的弧面。

一些实施例中，背部矮筋板30的高度为从反射镜的背面伸出20-40mm。

在大口径反射镜轻量化设计中，为了追求高轻量化率，反射镜的背部筋板10的间隔较大，这样在光学加工时对反射镜的面形精度的网格效应较明显，因此考虑在呈三角形的背部筋板10的中增加背部矮筋板30，背部矮筋板30设计成与镜面同心的弧面，高度只需要从反射镜背面伸出20-40mm左右，背部矮筋板30与三角形的背部筋板10相互嵌套连接，这样可以均匀细化背部筋板10构成的三角形网格大小，在保证高轻量化率的同时可以较显著的改善反射镜的面形精度。

在本发明的一些实施例中，反射镜的边缘为拱形边缘40，该拱形边缘40的筋板上设置有背部面板。

上述背部面板及拱形边缘40的设计，考虑到大口径反射镜的径厚比一般都偏大，因此将反射镜的边缘设计成拱形结构，这样可以有效减轻重量，并将反射镜边缘设计成背部封闭型，即在拱形边缘40的筋板上设置背部面板，这样可以在减轻反射镜重量的情况下增强反射镜边缘的刚度，从而在高轻量化率下保证反射镜的面形精度。

本发明的一个实施例中，还提供了一种反射镜的结构优化方法，包括：

根据反射镜的口径大小，确定反射镜的基本形状，并通过有限元法分析并优化反射镜的面形精度；

根据反射镜的背部筋板10的排列方向，在相邻两个背部筋板10的中间位置对背部筋板10进行镂空处理，得到本发明的反射镜。

本发明采用的呈三角形的背部筋板10设计，进行基本的反射镜结构轻量化设计。这种反射镜结构主要包括镜面厚度、背部面板厚度、镜体中心厚度、筋板厚度、三角形轻量化孔边长等参数。

首先根据反射镜的口径大小，参考反射镜制备工艺和经验公式，确定反射镜的基本构型，然后需要通过有限元法分析反射镜的面形精度，其流程如图1所示，通过迭代优化得到满足设计要求的轻量化结果。

上述有限元法分析并优化反射镜的面形精度，包括：

步骤1、建立反射镜三维模型；

步骤2、建立有限元分析模型；

步骤3、分析求解；

步骤4、分析结果后处理；

步骤5、面形精度评价；

若步骤5的面形精度评价不满足指标，则返回步骤1。

根据结构拓扑优化思想，结合反射镜的背部呈三角形孔的背部筋板10的排列特点，本发明创造性的提出了对反射镜的背部筋板10沿着背部筋板10排列方向镂空处理的轻量化设计思路，即根据背部筋板10的排列方向，在相邻两个筋板的中间位置，采用适当形状的孔进行镂空处理，这样可以在保证反射镜刚度的同时大大减轻其重量。

所述反射镜的结构优化方法包括，根据反射镜的球面曲率和反射镜的镜体厚度，确定镂空孔20的大小。

为了避免镂空处理造成反射镜的应力集中，一般可以采用圆滑过渡的近似圆形和椭圆等形状的轻量化孔形式，还需要根据反射镜的球面曲率和镜体厚度，来合理确定镂空孔20的大小。

反射镜的镂空程度需要根据其镜面曲率、镜体厚度，以及镂空孔20的形状等，最后还需要通过有限元分析来确定最优结果。

如图6所示，是现有技术中提供的反射镜的结构示意图。图2为本发明提供的反射镜的高轻量化结构示意图。

一个具体实施例中，将本发明提出的反射镜轻量化设计方法，应用到某2米口径的反射镜轻量化设计中，按照之前传统的轻量化设计思路，经过迭代优化得到的反射镜轻量化形式如图6所示，该反射镜的重量为186kg，轻量化率为92.7％，面密度为59.2kg/m²。

根据本发明提出的反射镜高轻量化设计方法，进一步对该反射镜进行了轻量化设计，采用沿着镜面弧度的长圆形孔进行镂空处理，得到反射镜的高轻量化设计结果如图2所示，该反射镜的重量为100.4kg，轻量化率为95.1％，面密度为31.95kg/m²。通过有限元分析可以得到该反射镜的面形如图5所示，其面形精度RMS值优于1/50λ，在高轻量化率下可以满足面形精度要求，如图5所示。

根据以上的反射镜轻量化设计结果可知，相比传统的反射镜轻量化方法，本发明提出的轻量化方法使该反射镜的重量减轻了85.6kg，相对减轻了46％，这对于大口径空间光学遥感器的研制来说非常具有应用价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种反射镜，其特征在于，所述反射镜的背面设置有背部筋板，所述背部筋板上设置有贯穿所述背部筋板的镂空孔；

所述镂空孔为圆形通孔或椭圆形通孔，尺寸由所述反射镜的球面曲率和镜体厚度决定；

所述反射镜背面还设置有背部矮筋板，所述背部矮筋板与所述背部筋板相互嵌套交叉设置。

2.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，所述背部筋板为呈三角形相互交叉排列的筋板。

3.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，所述背部矮筋板为与所述反射镜的镜面同心的弧面。

4.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，所述背部矮筋板的高度为从反射镜的背面伸出20-40mm。

5.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，所述反射镜的边缘为拱形边缘，所述拱形边缘的筋板上设置有背部面板。