针对Ф1.05 m空间光学系统主镜的设计指标要求，提出了轻量化反射镜结构优化设计的新方法，并建立了反射镜结构自动化仿真分析与优化设计平台，基于此平台确定了性能优异的主镜结构设计方案。主镜重量小于50 kg，轻量化率已接近国外先进水平;主镜在三球铰支撑下的第一阶模态频率为361.2 Hz，自由状态下的一阶非零模态频率为501.9 Hz;在1 ℃均匀温度变化下，不去离焦和去除离焦之后的面形RMS分别为0.55 nm和0.10 nm;主镜在30g过载加速度作用下的最大应力为16.1 MPa，均满足设计要求。采用目前最先进的第三代大口径反射镜加工工艺，路线为超精密铣磨—小磨头数控研抛—离子束精修，实现主镜面形误差的确定性去除。为保证面形检测结果的天地一致性，发展了重力卸载技术和面形误差数据后处理技术，剔除重力和其他系统误差对检测的影响。主镜最终面形精度达到0.011λ RMS，获得了高精度的光学面形，也证明了方案的合理性。

采用柔性带式支撑方式的大口径光学反射镜与支撑带之间的静摩擦力对反射镜面形精度影响较大, 而且该影响难于直接定量测量。针对这一实际情况, 考虑到温度变化将引起静摩擦力状态变化这一规律, 建立了温度—静摩擦力间的关系表达式; 接着, 以反射镜所受静摩擦力与环境温度关系为基础, 通过测量不同温度下的反射镜面形精度, 间接推算出静摩擦力对反射镜面形精度的影响; 以1.2米SiC轻量化反射镜为研究对象, 利用干涉仪检测其柔性带式支撑机构在不同温度下的面形精度, 并利用实测数据推导出温度—静摩擦关系的相应系数; 最后借助ANSYS软件, 对带式支撑机构的受力情况进行仿真分析。实测结果与仿真分析结果一致性较好, 说明该研究方法可较为准确地推导出静摩擦力对大口径SiC轻量化反射镜面形影响。

针对空间光学遥感器对大口径主反射镜质量轻、面形精度高的要求, 设计了一种超轻量化SiC反射镜。首先确定反射镜的轻量化方案, 之后采用集成优化方法, 在ISight软件平台上集成几何建模、有限元分析和面形拟合等设计流程并自动化运行。反射镜结构参数为优化变量, 镜体质量和面形精度RMS值为目标函数。采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)对集成优化模型进行多目标、全局性的优化求解。最后结合制造工艺调整优化结果, 得到反射镜的最终设计方案并仿真分析。结果表明, 反射镜的质量为11.4 kg, 面密度为37 kg/m2, 光轴水平工况下面形RMS值为1 nm, 一阶自由模态频率为1100 Hz。结果验证了所提出的集成优化方法的有效性。

为了解除4 m轻量化反射镜支撑系统间存在的相互耦合作用, 提出了采用广义最小二乘法进行主动光学的模式定标计算。首先, 介绍了4 m轻量化反射镜的支撑系统, 推导出液压Whiffletree支撑系统工作下主动光学校正力组满足解耦条件的等式约束方程, 将节点面积加权因子修正后的Zernike多项式面形拟合过程作为有限元分析前处理, 建立主动光学的响应矩阵。其次, 采用广义最小二乘法求解同时满足等式和不等式约束下的最佳校正力组。最后, 将提出的方法应用于重力印透效应产生的镜面变形主动力解算, 分析不同阻尼因子对解算结果的影响。结果表明: 阻尼因子取7.4e-9时, 达到了满足约束条件的最佳校正效果, 镜面面形均方根由最初的271.5 nm通过校正后变为8.3 nm。验证了广义最小二乘法应用于4 m轻量化反射镜主动光学校正力组解算的可行性。

采用真空辅助凝胶注模和反应烧结法制备了面密度分别为9.35和11.7 kg/m2, 直径分别为200和500 mm的两块超轻量化SiC反射镜,检测了反射镜的主要性能。 结果显示: 由于在真空环境下浇注, 坯体没有宏观缺陷。材料中细小SiC颗粒的存在使材料具有相对较高的抗弯强度(335 MPa)和断裂韧性(4.5 MPa·m12)。此外, 反射镜材料金相组织中未出现明显的SiC颗粒定向排列, 具有较好的各向同性度: 不同方向热膨胀系数差异小于3%, 模量差异为1.3%。镜坯经过光学加工后面形误差(RMS值)为0.043λ(λ=632.8 nm), 表面粗糙度(Ra值)优于5 nm。实验表明, 真空辅助凝胶注模成型结合反应烧结工艺制备的超轻量化SiC反射镜各方面性能良好, 适用于制备空间相机用反射镜。

针对Φ510 mmSiC超轻量化反射镜的研制，提出了一剖面为船型、内部为正三角形、面板加密呈正六边形的轻量化结构。当设计重量为1.85 kg时，通过调整各个结构参数与另外两种相同重量的轻量化结构进行了比较。结果表明，在同样背部6点支撑作用下，该超轻量化结构在光轴指向天顶时由自重引起的面形(RMS)具有较大优势。利用Patran＼Nastran有限元软件模拟计算了该超轻量化反射镜在光轴水平状态下的自重镜面变形，并对其进行了热力学及动力学特性分析。分析结果显示，该超轻量化反射镜各项指标均能满足使用要求。最终，根据设计结果试制加工了一块镜坯，初步加工后的重量约为2.2 kg，面密度约为10.8 kg/m2，已达到目前SiC超轻量化反射镜的先进水平。