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460 mm口径单轴支撑碳化硅主镜的优化设计

王涛 汪向阳 赵新宇 刘瑞起 曹永刚

王涛, 汪向阳, 赵新宇, 刘瑞起, 曹永刚. 460 mm口径单轴支撑碳化硅主镜的优化设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0172
引用本文: 王涛, 汪向阳, 赵新宇, 刘瑞起, 曹永刚. 460 mm口径单轴支撑碳化硅主镜的优化设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0172
WANG Tao, WANG Xiang-yang, ZHAO Xin-yu, LIU Rui-qi, CAO Yong-gang. Optimized design of 460 mm diameter single axis supported SIC mirror[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0172
Citation: WANG Tao, WANG Xiang-yang, ZHAO Xin-yu, LIU Rui-qi, CAO Yong-gang. Optimized design of 460 mm diameter single axis supported SIC mirror[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0172

460 mm口径单轴支撑碳化硅主镜的优化设计

cstr: 32171.14.CO.2024-0172
基金项目: 国家自然科学基金(No. 62105330)
详细信息
    作者简介:

    王 涛(1981—),男,黑龙江虎林市人,硕士,副研究员,主要从事地基光电望远镜结构总体技术等方面的研究。E-mail:wangtao@ciomp.ac.cn

    曹永刚(1972—),男,河北省滦县人,研究员,研究员,长期从事靶场光电测控技术理论及应用方向的研究,从事大数据高速传输技术、单站测量、机动高精度测量、动平台测量技术等研究。E-mail:20023003@163.com

  • 中图分类号: TH745

Optimized design of 460 mm diameter single axis supported SIC mirror

Funds: Supported by National Science Foundation of China (No. 62105330)
More Information
  • 摘要:

    主镜是地基望远镜的重要组成部件之一,其面型精度影响成像质量,视轴稳定性影响望远镜的测量精度,往往需要复杂的主镜支撑结构来保障两个指标同时满足。为简化某地基望远镜主镜的支撑方式,兼顾保障望远镜成像质量和精度,研究了460 mm口径单轴支撑碳化硅主镜的优化设计。首先确定了相近线胀系数材料的单轴支撑方案和扇形的主镜背部结构,针对支撑结构和材料特性,利用先进的碳化硅烧结技术可制备异性结构的特性,结合优化设计理论,在满足主镜面型精度的前提下,对主镜进行了轻量化设计。优化后的主镜质量仅为4.82 kg,主镜水平状态下面型仿真分析RMS为λ/51.4,经实际工程验证,主镜支撑后水平状态下面型精度检测结果优于λ/42,轻量化效果显著并满足实际使用要求。本研究为工程项目提供了理论基础和技术储备。

     

  • 图 1  主镜支撑方式

    Figure 1.  Mirror support method

    图 2  优化的设计变量

    Figure 2.  Optimized design variables

    图 3  主镜0°面型仿真计算结果

    Figure 3.  Simulation calculation results of surface shape of the mirror at 0°

    图 4  主镜45°面型仿真计算结果

    Figure 4.  Simulation calculation results of surface shape of the mirror at 45 °

    图 5  主镜10 °C温差面型仿真计算结果

    Figure 5.  Simulation calculation results of the surface shape of the mirror at a temperature difference of 10 °C

    图 6  460mm主镜

    Figure 6.  460 mm Mirror

    图 7  镜面干涉仪检测图

    Figure 7.  Mirror interferogram inspection chart

    表  1  常用主镜材料参数

    Table  1.   Commonly used mirror material properties

    ρ(g/cm3)E(GPa)υα(10−6/K)K(W/m•K)E/ρ(GPa•cm3/g)
    Zerodur2.53930.240.011.4636.8
    ULE2.21670.170.0151.330.3
    Fused silica2.0274.60.1670.5636.9
    SiC2.73900.142.4185111.8
    K92.5281.30.257.81.20732.1
    Be1.852800.2511.4160151
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    表  2  碳化硅主镜特点分析

    Table  2.   Analysis of SIC mirror characteristics

    优点 缺点
    重量 合理设计结构形式和先进的烧结
    工艺,可达到较高的轻量化程度。
    弹性
    模量
    高弹性模量使得同等应力作用
    下,材料的弹性变形更小。
    刚度高导致加工难度
    大、增加加工成本。
    热膨胀
    系数
    可选择热膨胀系数接近的金属
    材料作为支撑,降低环境温度
    变化导致的局部应力。
    热膨胀会导致镜面曲率
    半径变化,可通过温度
    调焦解决。
    导热率 高导热率可缩短热平衡时间,降低
    环境温度变化导致的局部应力。
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    表  3  优化设计结果

    Table  3.   Optimized design results

    设计变量初始值优化值
    A(mm)810.24
    B(mm)85.9
    C(mm)56.1
    D(mm)1513.9
    E(mm)64.42
    F(mm)65.84
    G(mm)86.42
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