为了提高轻小型碳化硅反射镜的面形精度并减轻其加工成本, 针对某空间相机的Φ210 mm SiC反射镜进行超轻量化设计.采用背部三点支撑并优化支撑点的位置, 通过拓扑优化, 得到反射镜背部需保留和可去除材料的分布情况.结合背部开放式、三角形孔的轻量化方案, 确定反射镜轻量化结构的初始模型.应用多目标集成优化方法, 建立以反射镜重量和X向自重工况面形为目标, Z向自重工况面形值为约束的优化模型, 对该反射镜进行了优化设计.优化后反射镜的X向自重工况下RMS值仅为0.18 nm, Z向自重工况下RMS值为2.38 nm, 重量仅为0.568 kg, 面密度达到16.9 kg/m2, X、Y、Z三向基频都在500 Hz以上.本文设计的反射镜结构有良好的力学性能, 本文优化设计方法是合理有效性.

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。

为满足轻小卫星相机质量更轻、性能更好的要求, 对某离轴三反空间相机610 mm口径圆形主镜进行了超轻量化设计.选用背部中心单点支撑方式, 采用变筋厚和变筋高的设计形式, 结合集成优化方法, 设计的主镜质量仅为6.23 kg, 面密度约为21.3 kg/m2.并设计了主镜的支撑结构, 仿真分析了组件的静、动力学性能.结果表明：三个方向重力工况下主镜的面形准确度(RMS值)均优于6 nm, 4℃均匀温变载荷工况下主镜的面形准确度优于1 nm; 主镜组件的一阶自然频率为112 Hz, 频响分析的最大应力发生在钛合金柔性连接件的螺栓孔处, 最大应力值为104 MPa, 远小于钛合金的屈服极限870 MPa.主镜轻量化效果显著, 主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求, 本文所述单点支撑形式的最大适用口径为683 mm, 为同类型空间反射镜的超轻量化设计提供了思路和参考.

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。