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低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析

沈凯 何欣 张星祥

沈凯, 何欣, 张星祥. 低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析[J]. 红外技术, 2021, 43(12): 1172-1176.
引用本文: 沈凯, 何欣, 张星祥. 低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析[J]. 红外技术, 2021, 43(12): 1172-1176.
SHEN Kai, HE Xin, ZHANG Xingxiang. Structural Design and Support Characteristics Analysis of Cryogenic Mirror Assembly[J]. Infrared Technology , 2021, 43(12): 1172-1176.
Citation: SHEN Kai, HE Xin, ZHANG Xingxiang. Structural Design and Support Characteristics Analysis of Cryogenic Mirror Assembly[J]. Infrared Technology , 2021, 43(12): 1172-1176.

低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析

基金项目: 

国家重大基础条件建设项目 Y9621XY/Y9611XU

详细信息
    作者简介:

    沈凯(1995-),男,硕士研究生,主要研究方向为低温反射镜支撑技术。E-mail: shenkai2018@163.com

    通讯作者:

    何欣(1970-),男,研究员,从事空间反射镜支撑结研究,E-mail: hexinxp@163.com

  • 中图分类号: TH703

Structural Design and Support Characteristics Analysis of Cryogenic Mirror Assembly

  • 摘要: 红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度,也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于240 K的ϕ450 mm反射镜组件进行结构设计,反射镜材料为SiC,连接件材料为殷钢,采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式,并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析,得到各参数对面形的影响曲线。优化后,反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm,径向重力面形3.710 nm,240 K低温面形5.086 nm,一阶模态277 Hz,轻量化率89.4%。
  • 图  1  反射镜背部结构

    Figure  1.  Support structure of mirror

    图  2  柔性连接件结构

    Figure  2.  Flexible connector structure

    图  3  反射镜装配图

    Figure  3.  Mirror assembly drawing

    图  4  面形RMS随中心孔厚度变化趋势

    Figure  4.  Surface accuracy varying with hole thickness

    图  5  面形RMS随中心孔直径变化趋势

    Figure  5.  Surface accuracy varying with the diameter of hole

    图  6  面形RMS随镜面背部与配合面距离变化趋势

    Figure  6.  Surface accuracy varying with the distance between face back and mating surface

    图  7  面形RMS随倒角高度变化趋势

    Figure  7.  Surface accuracy varying with chamfer height

    图  8  面形RMS随镜体厚度变化趋势

    Figure  8.  Variation trend of surface accuracy varying with height of mirror

    表  1  常用反射镜材料的性能和品质因数

    Table  1.   Performance and quality factors of rational materials for mirror

    Material Density ρ/(g/cm3) Young's modulus E/(GPa) Specific stiffness E/ρ(10-6·GNm/g) CTE α(10-6/K) Thermal conductivity λ/[W/(m·K)] Thermal distortion ratio λ/α(106 W/m)
    Fused silica 2.19 72 32.88 0.50 1.4 2.8
    Zerodur 2.53 91 35.97 0.05 1.64 32.8
    Al 2.70 68 25.19 22.50 167.00 7.42
    Be 1.85 287 155.14 11.40 216.00 18.95
    SiC 3.2 400 125.00 2.40 155.00 64.58
    Si 2.33 131 56.22 2.60 137.00 52.69
    ULE 2.21 67 30.32 0.01 1.31 131
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    表  2  反射镜组件分析结果

    Table  2.   Analysis results of mirror and flexible connector nm

    Connection type RMS-X RMS-Z RMS-T
    Rigid 1.284 7.027 165.844
    Flexible 5.362 9.039 9.869
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    表  3  优化参数取值

    Table  3.   Optimize parameter values  mm

    Parameters Height of mirror Diameter of hole Hole thickness Distance between face back and mating surface Chamfer height
    Initial 80 110 10 12 8
    Final 80 100 12 10 10
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    表  4  优化后反射镜性能

    Table  4.   Optimized mirror performance

    RMS-X/nm RMS-Z/nm RMS-T/nm First order frequency/Hz Light weight rate
    3.710 8.585 5.086 277 89.4%
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-14
  • 修回日期:  2021-01-26
  • 刊出日期:  2021-12-20

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