一種大口徑高輕量化玻璃反射鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種大口徑反射鏡的輕量化構(gòu)型，可應(yīng) 用于星載大口徑玻璃反射鏡的設(shè)計與制備。
【背景技術(shù)】
[0002] 星載光學(xué)遙感器鏡頭的口徑不斷增大，對大口徑反射鏡的輕量化提出了更高要 求。目前，大口徑玻璃反射鏡一般采用在背部加工開放式或半封閉式減輕孔（槽）的方式 來實現(xiàn)輕量化。開孔類型包括；圓型孔、蜂窩孔、方形孔、=角形孔、扇形孔等。
[0003] 反射鏡多為圓盤形狀，沿圓盤軸向剛度很強，沿圓盤徑向剛度相對較弱，反射鏡主 要產(chǎn)生的變形為沿徑向方向的彎矩變形。因此，沿背面開孔對于反射鏡徑向剛度的影響要 遠遠大于沿反射鏡周向開孔。為了彌補背面開孔對其剛度的影響，反射鏡開孔類型多設(shè)計 為=角形、蜂窩型等力學(xué)穩(wěn)定形狀，該樣又對加工造成了很大的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是；克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種周向開孔背部凹面 設(shè)計的輕量化玻璃反射鏡結(jié)構(gòu)，可W大大減少反射鏡輕量化對其剛度的影響，同時也降低 了反射鏡輕量化加工的難度。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是；一種大口徑高輕量化玻璃反射鏡，反射鏡為微晶玻璃 材料的圓形結(jié)構(gòu)，所述圓形結(jié)構(gòu)的正面為反射面，背面為減輕凹面，反射面為非球面且非球 面上各點的曲率半徑R滿足如下關(guān)系式，
[0006]
[0007] 其中y=f(x)為反射面的曲線方程，并存在一階導(dǎo)數(shù)f' (X)和二階導(dǎo)數(shù)f" (X); 減輕凹面為球面且球半徑為反射面上的中屯、點及至少兩個邊緣點的曲率半徑R的平均值； 所述的圓形結(jié)構(gòu)的周向位置開減輕孔且減輕孔沿反射鏡的圓周方向均勻分布。
[000引所述的減輕孔為階梯狀且階梯過渡面交接處留有圓角。減輕孔的最大深度不大于 階梯狀最小臺階寬度的6倍。
[0009] 所述的減輕凹面非拋光，非鍛膜。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0011] (1)本發(fā)明提出了一種更為優(yōu)化的反射鏡的輕量化方式，在相同輕量化程度下， 背部減輕凹面加周向開減輕孔的輕量化形式比背部開輕量化孔的方式擁有更好的力學(xué)性 能；
[0012] (2)本發(fā)明背部減輕凹面周向開減輕孔的輕量化形式使反射鏡的加工更為簡單， 降低了反射鏡制造成本，縮短了加工周期；
[0013] (3)本發(fā)明的輕量化方式使大口徑反射鏡的質(zhì)量大大減輕，緩解了裝調(diào)和卸載難 度，同時也減少了衛(wèi)星有效載荷的重量，降低了發(fā)射成本。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明反射鏡正向剖視圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明反射鏡側(cè)向剖視圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明反射面曲線與減輕面曲線的曲線圓整近似圖；
[0017] 圖4為本發(fā)明反射鏡的減輕孔包絡(luò)圖。
[0018] 圖中1為反射鏡，2為減輕孔，3為反射面，4為減輕凹面，5減輕面曲線，6為反射面 曲線，a鏡體厚度，h剩余材料厚度。
【具體實施方式】
[0019] 本發(fā)明設(shè)計的大口徑高輕量化玻璃反射鏡1，其力學(xué)原理主要依照材料力學(xué)"梁" 的彎曲變形理論。即變形大小與截面的慣性矩成反比；而慣性矩又與材料的幾何分布有關(guān)： 越是向沿彎曲方向上下兩面分開，其慣性矩就越大；反之，越是向中屯、層集中，其慣性矩就 越小。因此本發(fā)明的反射鏡1設(shè)計為雙對稱凹面（正面反射面3,背部減輕凹面4)周向開 減輕孔2的輕量化形式。
[0020] 由于微晶玻璃的熱穩(wěn)定性良好，反射鏡1的主體材料采用微晶玻璃。用去除材料 方式加工減輕孔2,減輕孔2位于反射鏡1的周向位置并沿反射鏡1圓周方向均勻分布。反 射鏡1背面設(shè)計減輕凹面4,并與正面反射面3成對稱形狀。整個反射鏡1為均勻?qū)ΨQ方式 設(shè)計，保證反射鏡1的力學(xué)性能、溫度特性均勻分布，更有利于反射鏡1的面型精度的保證， 使反射鏡1的裝調(diào)更為簡單。
[0021] 正面反射面3的面型通過光學(xué)設(shè)計確定，多為非球面結(jié)構(gòu)。減輕凹面4通過對反 射面3面型參數(shù)進行簡化和圓整，采用與反射面3面型近似的球面形狀。
[0022] 由于反射鏡1的反射面3為圓周對稱結(jié)構(gòu)，因此可將=維反射面3簡化為二維反 射面曲線6,通過將反射面曲線6圓整為減輕面曲線5的方法獲得減輕凹面4的球面半徑。 根據(jù)非球面反射鏡反射面的特點，反射面曲線6曲線方程的幕次大于等于二次，且為連續(xù) 曲線，所W反射面曲線6存在二階導(dǎo)數(shù)。
[0023] 反射面曲線6在某一點的曲率半徑為R，R通過W下公式求得：
[0024]
( 1 )
[002引其中y=f(x)為反射面曲線6的曲線方程，反射面曲線6存在一階、二階導(dǎo)數(shù)分 別為y' =f' (x)，y" =f" (X)。
[0026] 為使減輕面曲線5與反射面曲線6更為近似逼近，可選正面反射面3內(nèi)若干點處 進行曲率半徑求解，取平均值作為減輕面曲線5的圓弧半徑，曲率半徑求解點的選取必須 包括反射面曲線6最凹處頂點0點和反射鏡1的最大輪廓邊界點M、N兩點（如圖3所示）， ^1N亮點間的直線距離長度等于反射鏡1的直徑，其余各點可在^1N兩點之間的反射面曲線 6上選取，各選取點要相對0點左右對稱且成對出現(xiàn)，選取點盡量在反射面曲線6上均勻出 現(xiàn)，W保證減輕面曲線5與反射面曲線6在反射鏡1直徑范圍內(nèi)近似逼近。
[0027] 減輕凹面4不做剖光和鍛膜處理。該樣大大減少了反射鏡的加工難度，縮短加工 周期。
[002引減輕孔2設(shè)計需滿足整個反射鏡1的剛度要求，圖4為反射鏡1上減輕凹面4與 減輕孔2位置關(guān)系的示意圖，鏡體厚度a和剩余材料厚度h由反射鏡1設(shè)計所需的高度決 定。通常鏡體厚度a通過反射鏡1的鏡厚比初步確定，鏡厚比與反射鏡1所用材料有關(guān)，根 據(jù)微晶玻璃材料的物理特性，常用鏡厚比在8-10之間。材料厚度h為反射鏡1加工完成減 輕凹面4與減輕孔2所剩余的單邊材料厚度，通過控制剩余材料厚度h保證反射鏡1有足 夠的剛度。通常余材料厚度h初始設(shè)計時與反射鏡直徑成正比關(guān)系，在直徑500mm到Im之 間的反射鏡的剩余材料厚度h在2-5mm之間。反射鏡1初步設(shè)計后，通過物理性能的計算 及有限元仿真，反復(fù)迭代設(shè)計參數(shù)，最終確定設(shè)計結(jié)果。
[0029] 根據(jù)圖4所示，為便于加工，減輕孔2多選規(guī)則形狀，其尺寸形狀確定不得超減輕 面曲線5與反射面曲線6向反射鏡1內(nèi)偏移剩余材料壁厚h所產(chǎn)生的包絡(luò)區(qū)域。本發(fā)明中， 減輕孔2為階梯形狀，階梯大小隨反射鏡1中減輕面曲線5與反射面曲線6所確定的厚度 變化而變化，保證反射鏡1的材料壁厚基本一致，減輕孔2四周材料厚度基本一致?；緟?數(shù)確定后，通過計算仿真手段校核反射鏡1材料壁厚滿足其剛度要求，減輕孔2采用階梯形 狀且最大深度不大于靠近圓屯、方向最內(nèi)側(cè)臺階寬度的6倍，該樣設(shè)計使反射鏡的加工更為 簡單，減輕孔2各個面交接處設(shè)計相應(yīng)的工藝圓角，加工方便的同時也避免了尖角處產(chǎn)生 應(yīng)力集中，使反射鏡1具有更好的力學(xué)性能。
[0030] 通過上述方案得到反射鏡1具有較好的力學(xué)性能，輕量化率達到75%W上。
[0031] 實施例
[0032] 設(shè)計反射鏡1的最大直徑546mm，反射鏡1毛巧材料采用熱穩(wěn)定性良好的微 晶玻璃材料。反射鏡1的反射面3面型由系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計決定，其非球面面型方程；y= 2054. 76X+0. 028485X2,反射鏡鏡厚比參數(shù)設(shè)置為8,得到鏡體厚度a約等于69mm。根據(jù)非 球面方程確定反射曲線6最凹處頂點0的X位置為-36067. 4,根據(jù)反射鏡1的最大直徑 546mm，反射曲線6兩端的X位置分別為；-35794. 4和-36340. 4。根據(jù)此S點X的值，通過 公式（1)得出反射曲線6此^點處的曲率半徑，將^個曲率半徑取平均值得到減輕面曲線 5的半徑為1021. 97mm，保證減輕凹面4與反射面3對稱分布且面型相似。
[0033] 反射鏡1W=點方式支撐固定，沿圓周方向設(shè)計=個固定孔，其余圓周位置均勻 布置減輕孔2,根據(jù)材料壁厚近似均勻原則，根據(jù)反射鏡1直徑并通過物理性能的計算及有 限元仿真得到剩余材料厚度h= 2. 1mm。減輕孔2四邊材料壁厚近似等于剩余材料厚度h， 根據(jù)此參數(shù)減輕孔2安放共15組，減輕孔2最大深度設(shè)計為最小臺階寬度的5. 8倍。根據(jù) 反射鏡1軸線厚度變化設(shè)計減輕孔2由四個臺階組成，臺階尺寸與反射面1和減輕凹面4 面型參數(shù)相關(guān)，根據(jù)臺階尺寸設(shè)計減輕孔2各面交接處圓角尺寸為R= 5mm。通過計算仿真 確定反射鏡1的基本材料厚度保證其力學(xué)性能。
[0034] 依據(jù)此輕量化方案設(shè)計的反射鏡已加工完成。經(jīng)過測試；輕量化率大于75%，光 軸水平條件下，反射鏡面形精度優(yōu)于0. 02A，滿足使用要求。
[0035] 本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種大口徑高輕量化玻璃反射鏡，其特征在于：反射鏡（1)為微晶玻璃材料的圓形 結(jié)構(gòu)，所述圓形結(jié)構(gòu)的正面為反射面（3)，背面為減輕凹面（4)，反射面（3)為非球面且非球 面上各點的曲率半徑R滿足如下關(guān)系式，其中y = f(x)為反射面（3)的曲線方程，并存在一階導(dǎo)數(shù)f' (X)和二階導(dǎo)數(shù)f" (X); 減輕凹面（4)為球面且球半徑為反射面（3)上的中心點及至少兩個邊緣點的曲率半徑R的 平均值；所述的圓形結(jié)構(gòu)的周向位置開減輕孔（2)且減輕孔（2)沿反射鏡（1)的圓周方向 均勻分布。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑高輕量化玻璃反射鏡，其特征在于：所述的減輕 孔（2)為階梯狀且階梯過渡面交接處留有圓角。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大口徑高輕量化玻璃反射鏡，其特征在于：所述的減輕 孔（2)的最大深度不大于階梯狀最小臺階寬度的6倍。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種大口徑高輕量化玻璃反射鏡，其特征在于：所 述的減輕凹面（4)非拋光，非鍍膜。
【專利摘要】一種大口徑高輕量化玻璃反射鏡，采用微晶玻璃材料的圓形結(jié)構(gòu)，圓形結(jié)構(gòu)的正面為反射面(3)，背面為減輕凹面(4)，反射面(3)為非球面且非球面上各點的曲率半徑R滿足特定關(guān)系式，減輕凹面(4)為球面且球半徑為反射面(3)上的中心點及至少兩個邊緣點的曲率半徑的平均值。圓形結(jié)構(gòu)的周向位置開減輕孔(2)且減輕孔(2)沿反射鏡(1)的圓周方向均勻分布。本發(fā)明首次提出了一種應(yīng)用于玻璃反射鏡的雙凹加周向階梯型減輕孔的輕量化思路，在保證反射鏡剛度的情況下，使得大口徑反射鏡的質(zhì)量大大減輕，緩解了裝調(diào)和卸載難度，同時也減少了衛(wèi)星有效載荷的重量，降低了發(fā)射成本。
【IPC分類】G02B5/10
【公開號】CN104880749
【申請?zhí)枴緾N201510271959
【發(fā)明人】鄧永濤, 李旭, 齊明
【申請人】北京空間機電研究所
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月25日