天基大口徑反射鏡：輕量化與復(fù)合支撐技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新研究一、引言1.1研究背景與意義在航天領(lǐng)域，天基大口徑反射鏡作為核心光學(xué)元件，其性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)航天光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、觀測(cè)精度起著決定性作用，在航天遙感、空間天文觀測(cè)等諸多關(guān)鍵任務(wù)中扮演著無(wú)可替代的角色。從航天遙感角度來(lái)看，隨著人類(lèi)對(duì)地球資源監(jiān)測(cè)、環(huán)境變化觀測(cè)以及軍事偵察等需求的日益增長(zhǎng)，對(duì)航天遙感分辨率的要求也在不斷提高。大口徑反射鏡能夠收集更多的光線，從而顯著提高成像的分辨率和清晰度，使我們可以更精準(zhǔn)地獲取地球表面的各種信息。例如，在國(guó)土資源調(diào)查中，高分辨率的航天遙感圖像能夠幫助我們更準(zhǔn)確地掌握土地利用情況、礦產(chǎn)資源分布等；在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)、水污染等環(huán)境問(wèn)題，為環(huán)境保護(hù)和治理提供有力依據(jù)。在空間天文觀測(cè)領(lǐng)域，大口徑反射鏡同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。宇宙浩瀚無(wú)垠，天體發(fā)出的光線極其微弱，只有大口徑反射鏡才能有效收集這些微弱光線，使我們能夠探測(cè)到更遙遠(yuǎn)、更暗弱的天體，進(jìn)而深入研究宇宙的起源、演化以及天體的物理特性。以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡為例，其配備的2.4米口徑反射鏡，讓人類(lèi)探測(cè)到了134億光年外宇宙大爆炸時(shí)的宇宙信號(hào)，極大地拓展了人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知邊界。隨著航天任務(wù)對(duì)觀測(cè)精度和分辨率要求的不斷攀升，反射鏡口徑持續(xù)增大。然而，反射鏡口徑的增大不可避免地導(dǎo)致其自重急劇增加。這不僅會(huì)顯著增加發(fā)射成本，還會(huì)給反射鏡在發(fā)射過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)控制以及在軌運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和精度保持帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。例如，在發(fā)射過(guò)程中，大口徑反射鏡會(huì)受到劇烈的振動(dòng)和沖擊，過(guò)重的反射鏡更容易在這些外力作用下發(fā)生變形甚至損壞；在軌運(yùn)行時(shí)，自重引起的變形會(huì)嚴(yán)重影響反射鏡的面形精度，進(jìn)而降低成像質(zhì)量。此外，大口徑反射鏡在太空中還會(huì)受到復(fù)雜的空間環(huán)境因素影響，如極端溫度變化、微流星體撞擊等。這些因素會(huì)進(jìn)一步加劇反射鏡的變形和性能退化，對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)提出了更為嚴(yán)苛的要求。為了確保大口徑反射鏡在航天應(yīng)用中能夠穩(wěn)定、可靠地工作，實(shí)現(xiàn)高分辨率成像和高精度觀測(cè)，輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)的研究顯得尤為重要且迫切。輕量化設(shè)計(jì)可以有效降低反射鏡的重量，從而減輕發(fā)射過(guò)程中的負(fù)擔(dān)，降低發(fā)射成本。同時(shí)，減輕重量還能減少反射鏡在發(fā)射和在軌運(yùn)行過(guò)程中的慣性力，提高其動(dòng)力學(xué)性能和穩(wěn)定性。例如，通過(guò)采用新型輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法，可以在保證反射鏡剛度和強(qiáng)度的前提下，顯著降低其重量。在滿(mǎn)足相同光學(xué)性能指標(biāo)的情況下，輕量化后的反射鏡可以使航天器的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少對(duì)運(yùn)載火箭推力的需求，降低發(fā)射成本。復(fù)合支撐技術(shù)則是保證大口徑反射鏡在復(fù)雜空間環(huán)境下保持高精度面形和穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。通過(guò)合理設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)和選擇支撐方式，可以有效減小反射鏡在自重、溫度變化等因素作用下的變形，提高其面形精度和穩(wěn)定性。例如，采用多點(diǎn)支撐、柔性支撐等復(fù)合支撐方式，可以均勻地分散反射鏡的重量，減少局部應(yīng)力集中，從而降低反射鏡的變形。同時(shí)，復(fù)合支撐技術(shù)還可以提高反射鏡對(duì)微振動(dòng)的隔離能力，減少微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量的影響。綜上所述，天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)的研究對(duì)于提升航天光學(xué)系統(tǒng)的性能、降低成本、推動(dòng)航天事業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。通過(guò)深入研究這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以為未來(lái)的航天任務(wù)提供更強(qiáng)大、更可靠的光學(xué)觀測(cè)設(shè)備，助力人類(lèi)在航天領(lǐng)域取得更多的突破和進(jìn)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量富有成效的研究工作，取得了一系列重要成果。國(guó)外在該領(lǐng)域起步較早，技術(shù)發(fā)展較為成熟。美國(guó)在大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)方面一直處于世界領(lǐng)先地位，其在材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面取得了顯著成就。例如，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），其主鏡采用了18塊六邊形的鈹合金反射鏡拼接而成，每塊反射鏡都經(jīng)過(guò)了精心的輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在保證反射鏡剛度和強(qiáng)度的前提下，有效降低了重量。這種輕量化設(shè)計(jì)使得JWST能夠在有限的運(yùn)載能力下實(shí)現(xiàn)更大口徑的光學(xué)系統(tǒng)，大大提高了其觀測(cè)能力，使其能夠探測(cè)到更遙遠(yuǎn)、更暗弱的天體。在復(fù)合支撐技術(shù)方面，美國(guó)研發(fā)的主動(dòng)支撐系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。如在一些大型地面望遠(yuǎn)鏡中，主動(dòng)支撐系統(tǒng)通過(guò)分布在反射鏡背部的多個(gè)促動(dòng)器，能夠?qū)崟r(shí)感知反射鏡的面形變化，并根據(jù)反饋信息精確調(diào)整支撐力，從而有效補(bǔ)償因重力、溫度變化等因素引起的反射鏡面形誤差，將面形誤差控制在極小的范圍內(nèi)，確保了望遠(yuǎn)鏡的高分辨率觀測(cè)。歐洲在大口徑反射鏡技術(shù)研究方面也成績(jī)斐然。法國(guó)的BOOSTEC公司在碳化硅（SiC）反射鏡制造及支撐技術(shù)方面具有深厚的技術(shù)積累，其制造的SiC反射鏡應(yīng)用于蓋亞、赫歇爾、歐幾里德等多個(gè)重要的空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。德國(guó)則在反射鏡材料的制備工藝和支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面不斷創(chuàng)新，通過(guò)改進(jìn)SiC材料的制備工藝，提高了材料的性能，為輕量化設(shè)計(jì)提供了更優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)；在支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，德國(guó)科研團(tuán)隊(duì)提出了多種新型支撐結(jié)構(gòu)，有效提高了支撐的均勻性和穩(wěn)定性，減少了反射鏡的變形。國(guó)內(nèi)對(duì)天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)的研究雖然起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速，取得了一系列重要突破。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所在該領(lǐng)域開(kāi)展了深入研究，取得了眾多成果。在輕量化設(shè)計(jì)方面，通過(guò)有限元分析等手段，對(duì)反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了多種滿(mǎn)足不同需求的輕量化主鏡結(jié)構(gòu)。例如，在4米量級(jí)碳化硅反射鏡的研制過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)攻克了鏡坯制備、光學(xué)加工與檢測(cè)、改性與鍍膜等關(guān)鍵技術(shù)，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了全鏈路集成制造系統(tǒng)，成功制造出了全球最大口徑高精度碳化硅光學(xué)反射鏡。在復(fù)合支撐技術(shù)方面，該研究所提出了基于力促動(dòng)器的支撐方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的效果，有效提高了反射鏡的穩(wěn)定性和精度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)從材料性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)、光學(xué)工程等多個(gè)學(xué)科角度出發(fā)，對(duì)大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)研究材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，優(yōu)化反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了反射鏡的比剛度；在支撐技術(shù)方面，開(kāi)展了對(duì)柔性支撐、多點(diǎn)支撐等新型支撐方式的研究，提高了反射鏡的抗振性能和穩(wěn)定性。浙江大學(xué)則利用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法，對(duì)反射鏡在不同工況下的力學(xué)行為進(jìn)行深入研究，為輕量化設(shè)計(jì)和支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)；同時(shí)，在支撐技術(shù)研究中，探索了智能材料在反射鏡支撐中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)反射鏡的自適應(yīng)支撐提供了新的思路。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)方面取得了諸多成果，但目前的研究仍存在一些不足之處。在輕量化設(shè)計(jì)方面，雖然現(xiàn)有的輕量化結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上降低反射鏡的重量，但對(duì)于進(jìn)一步提高輕量化率和優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的研究還不夠深入。隨著航天任務(wù)對(duì)反射鏡性能要求的不斷提高，需要開(kāi)發(fā)更加高效的輕量化設(shè)計(jì)方法，以滿(mǎn)足未來(lái)更高性能望遠(yuǎn)鏡的需求。例如，目前的輕量化結(jié)構(gòu)在某些復(fù)雜工況下，可能會(huì)出現(xiàn)剛度不足或應(yīng)力集中等問(wèn)題，影響反射鏡的性能。在復(fù)合支撐技術(shù)方面，現(xiàn)有的支撐系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況和高精度要求時(shí)，仍存在響應(yīng)速度不夠快、控制精度不夠高的問(wèn)題。例如，在空間環(huán)境中，反射鏡會(huì)受到溫度變化、微流星體撞擊等多種復(fù)雜因素的影響，現(xiàn)有的支撐系統(tǒng)難以快速、準(zhǔn)確地對(duì)這些變化做出響應(yīng)，從而影響反射鏡的面形精度和穩(wěn)定性。此外，對(duì)于反射鏡在實(shí)際工作環(huán)境中的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，如熱-結(jié)構(gòu)、力-熱等耦合作用對(duì)反射鏡性能的影響，研究還不夠全面和深入，需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)方面的研究，以提高反射鏡在復(fù)雜空間環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于天基大口徑反射鏡，深入探索其輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)，具體研究?jī)?nèi)容如下：天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)方法研究：深入分析碳化硅（SiC）、金屬鈹?shù)瘸Ｓ糜诖罂趶椒瓷溏R制造的材料特性，包括其密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等物理性能，以及在不同溫度、應(yīng)力等工況下的力學(xué)性能表現(xiàn)。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，研究材料性能對(duì)反射鏡輕量化設(shè)計(jì)的影響規(guī)律，為材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)?；谕?fù)鋬?yōu)化理論，以反射鏡的剛度最大化、質(zhì)量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)考慮反射鏡在發(fā)射、在軌運(yùn)行等不同工況下的載荷條件，對(duì)反射鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。確定反射鏡內(nèi)部材料的最優(yōu)分布，去除不必要的材料，在保證反射鏡性能的前提下，實(shí)現(xiàn)最大限度的輕量化。研究輕量化結(jié)構(gòu)的加工工藝可行性，分析不同加工工藝對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)精度和表面質(zhì)量的影響。例如，對(duì)于采用銑削、電火花加工等工藝制造的輕量化結(jié)構(gòu)，評(píng)估其加工誤差、表面粗糙度等因素對(duì)反射鏡光學(xué)性能的影響，提出相應(yīng)的加工工藝改進(jìn)措施，確保輕量化結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。天基大口徑反射鏡復(fù)合支撐技術(shù)原理研究：分析反射鏡在發(fā)射階段所承受的振動(dòng)、沖擊等動(dòng)力學(xué)載荷，以及在軌運(yùn)行時(shí)受到的微重力、溫度變化等環(huán)境因素的影響，研究這些因素對(duì)反射鏡面形精度和穩(wěn)定性的作用機(jī)制。建立反射鏡在復(fù)雜工況下的力學(xué)模型，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬，分析反射鏡的變形規(guī)律和應(yīng)力分布情況，為復(fù)合支撐技術(shù)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。研究主動(dòng)支撐、被動(dòng)支撐以及兩者結(jié)合的復(fù)合支撐方式的工作原理和特點(diǎn)。主動(dòng)支撐通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反射鏡的狀態(tài)，利用促動(dòng)器根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)支撐力進(jìn)行調(diào)整，以補(bǔ)償反射鏡的變形；被動(dòng)支撐則通過(guò)合理設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)和選擇支撐材料，利用結(jié)構(gòu)的固有特性來(lái)減小反射鏡的變形。分析不同支撐方式在不同工況下的適用性，為復(fù)合支撐技術(shù)的選擇和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。天基大口徑反射鏡復(fù)合支撐技術(shù)應(yīng)用研究：根據(jù)反射鏡的口徑、形狀、材料以及工作工況等參數(shù)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)。確定支撐點(diǎn)的數(shù)量、位置和布局，以及支撐結(jié)構(gòu)的形式和尺寸，使支撐結(jié)構(gòu)能夠均勻地分散反射鏡的重量，減小反射鏡的變形。利用有限元分析軟件對(duì)復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，模擬反射鏡在不同工況下的響應(yīng)。評(píng)估支撐結(jié)構(gòu)的性能，如支撐力分布的均勻性、反射鏡的面形精度、結(jié)構(gòu)的固有頻率等，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量反射鏡在不同工況下的面形精度、變形量等參數(shù)，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證復(fù)合支撐技術(shù)的有效性和可靠性。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)復(fù)合支撐技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題和不足，提出改進(jìn)措施和建議，為工程應(yīng)用提供參考。在研究方法上，本研究擬采用以下多種方法相結(jié)合的方式：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)，包括學(xué)術(shù)論文、專(zhuān)利、研究報(bào)告等。全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及已取得的研究成果，分析現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題和不足，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。理論分析法：運(yùn)用材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)反射鏡的輕量化設(shè)計(jì)和復(fù)合支撐技術(shù)進(jìn)行理論分析。建立反射鏡的力學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，分析反射鏡在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況，為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。數(shù)值模擬法：利用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對(duì)反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)和復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)建立精確的模型，模擬反射鏡在發(fā)射、在軌運(yùn)行等不同工況下的力學(xué)響應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，如面形精度、應(yīng)力分布、固有頻率等。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的性能。實(shí)驗(yàn)研究法：設(shè)計(jì)并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，對(duì)反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)和復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量反射鏡的各項(xiàng)性能參數(shù)，如面形精度、變形量、固有頻率等，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證研究成果的正確性和有效性。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)一步改進(jìn)和完善研究方案。二、天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)2.1輕量化設(shè)計(jì)的必要性在航天領(lǐng)域，天基大口徑反射鏡的發(fā)展對(duì)航天任務(wù)的推進(jìn)具有舉足輕重的作用。隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)大口徑反射鏡的性能要求不斷提高，其口徑也在持續(xù)增大。然而，反射鏡口徑的增大不可避免地帶來(lái)了自重增加的問(wèn)題，這給航天任務(wù)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，使得輕量化設(shè)計(jì)成為必然需求。大口徑反射鏡自重的增加首先直接導(dǎo)致發(fā)射成本大幅上升。在航天任務(wù)中，發(fā)射成本與航天器的重量密切相關(guān)，每增加一公斤的重量，都可能意味著數(shù)百萬(wàn)美元的成本增加。以運(yùn)載火箭為例，其運(yùn)載能力是有限的，若反射鏡自重過(guò)大，就需要更大推力的運(yùn)載火箭，這不僅增加了火箭的研制和生產(chǎn)成本，還可能受到現(xiàn)有火箭運(yùn)載能力的限制，導(dǎo)致任務(wù)無(wú)法實(shí)施。例如，一些早期的航天光學(xué)任務(wù)，由于反射鏡重量超出預(yù)期，不得不重新設(shè)計(jì)和調(diào)整運(yùn)載方案，大大增加了項(xiàng)目的成本和周期。其次，反射鏡自重的增加會(huì)對(duì)其面形精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在發(fā)射過(guò)程中，大口徑反射鏡會(huì)承受劇烈的振動(dòng)和沖擊載荷。過(guò)重的反射鏡在這些外力作用下更容易發(fā)生變形，即使是微小的變形也可能導(dǎo)致反射鏡的面形精度下降，從而影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。例如，在某航天光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)射過(guò)程中，由于反射鏡自重較大，在火箭發(fā)射的振動(dòng)環(huán)境下，反射鏡的面形發(fā)生了一定程度的變化，導(dǎo)致在軌成像時(shí)出現(xiàn)了模糊和失真的情況，嚴(yán)重影響了觀測(cè)效果。在空間軌道運(yùn)行時(shí)，反射鏡處于微重力環(huán)境，但自重仍然會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。由于反射鏡自身結(jié)構(gòu)的不均勻性，自重會(huì)導(dǎo)致反射鏡內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，長(zhǎng)期作用下可能使反射鏡發(fā)生蠕變，進(jìn)而改變其面形精度。同時(shí)，空間環(huán)境中的溫度變化也會(huì)使反射鏡產(chǎn)生熱變形，而自重的增加會(huì)加劇這種熱變形對(duì)反射鏡面形精度的影響。例如，當(dāng)反射鏡經(jīng)歷軌道上的晝夜溫差變化時(shí)，較重的反射鏡會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s和自重的共同作用，產(chǎn)生更大的面形誤差，使得光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和成像質(zhì)量大幅下降。此外，反射鏡自重的增加還會(huì)對(duì)航天器的姿態(tài)控制和軌道維持帶來(lái)困難。過(guò)重的反射鏡會(huì)增加航天器的慣性矩，使得航天器在進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整時(shí)需要消耗更多的燃料和能量，降低了航天器的工作效率和壽命。同時(shí)，在軌道維持過(guò)程中，也需要更多的能量來(lái)克服反射鏡自重帶來(lái)的影響，保證航天器在預(yù)定軌道上穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述，大口徑反射鏡自重增加帶來(lái)的問(wèn)題嚴(yán)重制約了航天任務(wù)的發(fā)展，輕量化設(shè)計(jì)成為解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，可以在保證反射鏡剛度、強(qiáng)度和光學(xué)性能的前提下，有效降低其重量，從而降低發(fā)射成本，提高反射鏡在發(fā)射和在軌運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，減少對(duì)航天器姿態(tài)控制和軌道維持的影響，為航天任務(wù)的順利實(shí)施提供有力保障。2.2傳統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)方法及局限性在天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程中，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與有限元校核相結(jié)合的方法曾是主要的設(shè)計(jì)手段。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法基于設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用傳統(tǒng)的材料力學(xué)、彈性力學(xué)理論以及一系列經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)初步設(shè)計(jì)反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)。例如，在確定反射鏡的厚度、加強(qiáng)筋的布局和尺寸等關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，會(huì)參考以往類(lèi)似項(xiàng)目的成功案例和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在一些早期的小口徑反射鏡設(shè)計(jì)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于給定的口徑和材料，會(huì)按照一定的比例關(guān)系確定反射鏡的基本厚度，然后根據(jù)受力分析的經(jīng)驗(yàn)法則，布置加強(qiáng)筋的位置和大致尺寸。在初步設(shè)計(jì)完成后，利用有限元分析軟件進(jìn)行校核計(jì)算。通過(guò)建立反射鏡的有限元模型，模擬其在各種工況下的力學(xué)行為，如發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)、沖擊載荷，在軌運(yùn)行時(shí)的微重力、溫度變化等環(huán)境因素作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況。根據(jù)有限元分析得到的結(jié)果，如應(yīng)力分布云圖、變形量數(shù)據(jù)等，判斷設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等性能要求。若不滿(mǎn)足要求，則對(duì)模型進(jìn)行修改，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，再次進(jìn)行有限元分析，如此反復(fù)迭代，直至設(shè)計(jì)滿(mǎn)足指標(biāo)要求。例如，當(dāng)有限元分析結(jié)果顯示反射鏡在某些部位的應(yīng)力超過(guò)材料的許用應(yīng)力時(shí)，就需要增加這些部位的材料厚度或優(yōu)化加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，然后重新進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證改進(jìn)后的設(shè)計(jì)是否符合要求。然而，這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法存在諸多局限性。首先，設(shè)計(jì)效率相對(duì)較低。由于主要依賴(lài)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中往往需要進(jìn)行大量的嘗試和調(diào)整，每一次調(diào)整都需要重新進(jìn)行有限元分析，耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。例如，在設(shè)計(jì)一個(gè)新口徑的反射鏡時(shí)，設(shè)計(jì)人員可能需要多次嘗試不同的加強(qiáng)筋布局和尺寸，才能找到相對(duì)合理的設(shè)計(jì)方案，這一過(guò)程可能需要數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間。而且，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)難以全面考慮反射鏡在復(fù)雜工況下的各種因素，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)的盲目性和不合理性，進(jìn)一步增加了迭代次數(shù)和設(shè)計(jì)周期。其次，傳統(tǒng)方法難以得到全局最優(yōu)解。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)本身具有一定的主觀性和局限性，它基于以往的經(jīng)驗(yàn)和案例，可能無(wú)法探索到全新的、更優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。有限元校核只是對(duì)給定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，無(wú)法從全局的角度對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行搜索和優(yōu)化。在反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，可能存在多種材料分布和結(jié)構(gòu)形式的組合，能夠在滿(mǎn)足性能要求的前提下實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的輕量化效果，但傳統(tǒng)方法很難找到這些潛在的最優(yōu)解。例如，在一些復(fù)雜的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可能存在一些非規(guī)則的加強(qiáng)筋布局或特殊的材料分布方式，能夠在不降低性能的前提下顯著提高輕量化率，但傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和有限元校核方法很難發(fā)現(xiàn)這些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案。此外，隨著大口徑反射鏡的口徑不斷增大，對(duì)其性能要求日益提高，傳統(tǒng)方法在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題時(shí)顯得力不從心。在實(shí)際工作中，反射鏡會(huì)同時(shí)受到力學(xué)、熱學(xué)等多種物理場(chǎng)的耦合作用，如溫度變化會(huì)引起材料的熱膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致反射鏡的熱應(yīng)力和變形，這些因素相互影響，使得問(wèn)題變得極為復(fù)雜。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和有限元校核方法難以準(zhǔn)確考慮這些多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差，無(wú)法滿(mǎn)足高性能大口徑反射鏡的設(shè)計(jì)需求。例如，在空間環(huán)境中，反射鏡會(huì)經(jīng)歷劇烈的溫度變化，傳統(tǒng)方法很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)溫度變化對(duì)反射鏡結(jié)構(gòu)性能的影響，從而影響反射鏡的面形精度和穩(wěn)定性。2.3新型輕量化設(shè)計(jì)方法探索2.3.1拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化作為一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，在天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。其核心原理是在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，以滿(mǎn)足特定的約束條件為前提，通過(guò)尋找最佳的材料分布，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的最大化。在大口徑反射鏡的輕量化設(shè)計(jì)中，拓?fù)鋬?yōu)化以鏡面柔順度最小為關(guān)鍵目標(biāo)。鏡面柔順度是衡量鏡面在受力作用下變形程度的重要指標(biāo)，其表達(dá)式為C=\frac{1}{2}U^TF，其中U表示位移向量，F(xiàn)表示力向量。通過(guò)最小化鏡面柔順度，可以有效減小鏡面在各種工況下的變形，從而保證反射鏡的面形精度，這對(duì)于提高反射鏡的光學(xué)性能至關(guān)重要。同時(shí)，拓?fù)鋬?yōu)化以去除體積比為約束條件。去除體積比定義為\frac{V_0-V}{V_0}，其中V_0代表初始設(shè)計(jì)空間的體積，V表示優(yōu)化后保留的材料體積。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)根據(jù)反射鏡的性能要求和制造工藝等因素，設(shè)定一個(gè)合理的去除體積比，例如常見(jiàn)的取值范圍在30%-70%之間。通過(guò)控制去除體積比，可以在保證反射鏡結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，最大限度地減少材料的使用，實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。在具體的優(yōu)化過(guò)程中，首先需要建立反射鏡的有限元模型。利用專(zhuān)業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對(duì)反射鏡的幾何形狀、材料屬性以及邊界條件等進(jìn)行精確的定義和模擬。將反射鏡劃分為大量的有限元單元，每個(gè)單元都賦予相應(yīng)的材料屬性和力學(xué)參數(shù)。根據(jù)反射鏡在實(shí)際工作中的受力情況，如發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)、沖擊載荷，在軌運(yùn)行時(shí)的微重力、溫度變化等，施加相應(yīng)的載荷條件和邊界約束。基于建立的有限元模型，采用合適的拓?fù)鋬?yōu)化算法進(jìn)行求解。目前常用的拓?fù)鋬?yōu)化算法包括雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化（BESO）方法和各向正交懲罰材料變密度法（SIMP）等。BESO方法通過(guò)迭代計(jì)算，每次迭代都根據(jù)當(dāng)前的設(shè)計(jì)狀態(tài)，判斷哪些部分的材料對(duì)結(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)較小，將這些材料逐步去除，同時(shí)對(duì)剩余材料進(jìn)行優(yōu)化分布，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的提升。SIMP法則是通過(guò)引入材料密度變量，將材料的彈性模量與密度建立非線性關(guān)系，允許單元內(nèi)的相對(duì)密度在一定范圍內(nèi)變化，以此模擬連續(xù)介質(zhì)中的不同材料狀態(tài)。通過(guò)優(yōu)化材料密度的分布，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)拓?fù)涞哪康?。在求解過(guò)程中，利用有限元分析來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，并通過(guò)敏感度分析指導(dǎo)下一步的設(shè)計(jì)調(diào)整方向，不斷迭代直至滿(mǎn)足收斂條件。經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后，得到的鏡體質(zhì)量分布形式呈現(xiàn)出一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)布局。在受力較大的區(qū)域，材料得到了合理的保留和加強(qiáng)，以確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度；而在受力較小或?qū)Y(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)較小的區(qū)域，材料被有效去除，形成了一系列的輕量化孔洞或結(jié)構(gòu)。這些輕量化孔洞的形狀、大小和分布并非隨意形成，而是根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，經(jīng)過(guò)科學(xué)計(jì)算和分析確定的，旨在在保證反射鏡性能的前提下，最大限度地減輕重量。例如，在反射鏡的邊緣和支撐部位，由于受力較大，材料分布相對(duì)密集；而在反射鏡的中心區(qū)域，受力相對(duì)較小，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化可以去除部分材料，形成規(guī)則的輕量化孔洞，從而實(shí)現(xiàn)了材料的最優(yōu)利用和結(jié)構(gòu)的輕量化。這種優(yōu)化后的鏡體質(zhì)量分布形式，不僅有效降低了反射鏡的重量，還提高了其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，為大口徑反射鏡的輕量化設(shè)計(jì)提供了一種創(chuàng)新的解決方案。2.3.2尺寸參數(shù)優(yōu)化為了進(jìn)一步提升天基大口徑反射鏡的性能，在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上，引入了尺寸參數(shù)優(yōu)化方法。利用Isight集成仿真優(yōu)化平臺(tái)，結(jié)合有限元分析軟件，對(duì)鏡體參數(shù)進(jìn)行深入的迭代優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)鏡面面形rms值變化最小的目標(biāo)，并同時(shí)滿(mǎn)足鏡體質(zhì)量的約束要求。Isight集成仿真優(yōu)化平臺(tái)具有強(qiáng)大的功能，它能夠?qū)⒍喾N分析工具和優(yōu)化算法有機(jī)地集成在一起，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科、多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在大口徑反射鏡的尺寸參數(shù)優(yōu)化中，首先需要確定優(yōu)化變量。鏡體參數(shù)包括反射鏡的厚度、加強(qiáng)筋的尺寸、輕量化孔的大小和間距等，這些參數(shù)都對(duì)反射鏡的性能有著重要影響，因此都可以作為優(yōu)化變量。通過(guò)合理地選擇和定義這些優(yōu)化變量，能夠全面地探索鏡體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，找到最優(yōu)的參數(shù)組合。在優(yōu)化過(guò)程中，以鏡面面形rms值變化最小為目標(biāo)。鏡面面形rms值是衡量反射鏡面形精度的關(guān)鍵指標(biāo)，其計(jì)算公式為rms=\sqrt{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(z_i-\overline{z})^2}，其中z_i表示鏡面上第i個(gè)點(diǎn)的面形偏差，\overline{z}表示鏡面上所有點(diǎn)面形偏差的平均值，n為鏡面上的點(diǎn)數(shù)。鏡面面形rms值越小，說(shuō)明反射鏡的面形精度越高，成像質(zhì)量也就越好。通過(guò)優(yōu)化鏡體參數(shù)，使鏡面在各種工況下的面形rms值變化最小，能夠有效保證反射鏡的光學(xué)性能。同時(shí)，以鏡體質(zhì)量為約束條件。在大口徑反射鏡的設(shè)計(jì)中，鏡體質(zhì)量是一個(gè)重要的限制因素，需要在滿(mǎn)足光學(xué)性能要求的前提下，盡可能地降低鏡體質(zhì)量。根據(jù)實(shí)際的工程需求和發(fā)射條件，設(shè)定一個(gè)合理的鏡體質(zhì)量上限，在優(yōu)化過(guò)程中，確保鏡體質(zhì)量始終不超過(guò)這個(gè)上限，以實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。利用Isight平臺(tái)的優(yōu)化算法，對(duì)鏡體參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化。Isight平臺(tái)提供了多種優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、模擬退火算法等，每種算法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。在大口徑反射鏡的尺寸參數(shù)優(yōu)化中，通常會(huì)根據(jù)問(wèn)題的特點(diǎn)和需求，選擇合適的優(yōu)化算法。以遺傳算法為例，它模擬了生物進(jìn)化中的遺傳、變異和選擇過(guò)程，通過(guò)對(duì)初始種群中的個(gè)體進(jìn)行編碼、交叉和變異操作，不斷迭代生成新的種群，逐步尋找最優(yōu)解。在每次迭代中，Isight平臺(tái)會(huì)調(diào)用有限元分析軟件，對(duì)當(dāng)前的鏡體參數(shù)組合進(jìn)行分析計(jì)算，得到鏡面面形rms值和鏡體質(zhì)量等性能指標(biāo)。根據(jù)這些性能指標(biāo)，利用優(yōu)化算法對(duì)鏡體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，生成新的參數(shù)組合，再次進(jìn)行有限元分析，如此反復(fù)迭代，直到滿(mǎn)足收斂條件，找到最優(yōu)的鏡體參數(shù)組合。通過(guò)這種基于Isight集成仿真優(yōu)化平臺(tái)的尺寸參數(shù)優(yōu)化方法，能夠在保證反射鏡光學(xué)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)鏡體質(zhì)量的有效控制和優(yōu)化，進(jìn)一步提高大口徑反射鏡的性能和可靠性。2.3.3案例分析：某型號(hào)反射鏡輕量化設(shè)計(jì)實(shí)踐以某型號(hào)口徑為1.5米的天基大口徑反射鏡為例，深入探討新型輕量化設(shè)計(jì)方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用過(guò)程和顯著效果。該反射鏡應(yīng)用于高分辨率航天遙感任務(wù)，對(duì)其面形精度和輕量化程度有著嚴(yán)格的要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，以鏡面柔順度最小為目標(biāo)，以去除體積比為約束進(jìn)行優(yōu)化。利用有限元分析軟件建立反射鏡的初始模型，根據(jù)反射鏡在發(fā)射和在軌運(yùn)行等工況下的受力情況，施加相應(yīng)的載荷和邊界條件。采用雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化（BESO）算法進(jìn)行求解，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，得到了優(yōu)化后的鏡體質(zhì)量分布形式。結(jié)果顯示，在反射鏡的邊緣和支撐部位，材料分布較為密集，有效保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度；而在反射鏡的中心區(qū)域，去除了大量對(duì)結(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)較小的材料，形成了規(guī)則的輕量化孔洞，實(shí)現(xiàn)了材料的合理分布和結(jié)構(gòu)的初步輕量化。在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上，利用Isight集成仿真優(yōu)化平臺(tái)進(jìn)行尺寸參數(shù)優(yōu)化。確定反射鏡的厚度、加強(qiáng)筋的尺寸、輕量化孔的大小和間距等為優(yōu)化變量，以鏡面面形rms值變化最小為目標(biāo)，以鏡體質(zhì)量為約束進(jìn)行迭代優(yōu)化。通過(guò)多次優(yōu)化計(jì)算，得到了最優(yōu)的鏡體參數(shù)組合。優(yōu)化后的反射鏡在滿(mǎn)足面形精度要求的前提下，鏡體質(zhì)量相較于初始設(shè)計(jì)降低了約30%，顯著提高了輕量化程度。將新型輕量化設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，更能凸顯其優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與有限元校核相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，且難以得到全局最優(yōu)解。在該型號(hào)反射鏡的設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的反射鏡雖然能夠滿(mǎn)足基本的性能要求，但鏡體質(zhì)量相對(duì)較大，輕量化程度較低。而新型輕量化設(shè)計(jì)方法通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸參數(shù)優(yōu)化，從全局角度對(duì)反射鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅有效降低了鏡體質(zhì)量，還提高了反射鏡的面形精度和穩(wěn)定性。在相同的工況下，新型設(shè)計(jì)方法得到的反射鏡鏡面面形rms值比傳統(tǒng)方法降低了約20%，更好地滿(mǎn)足了高分辨率航天遙感任務(wù)的需求。通過(guò)該案例可以看出，新型輕量化設(shè)計(jì)方法在天基大口徑反射鏡的設(shè)計(jì)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高反射鏡的性能，為航天光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。三、天基大口徑反射鏡復(fù)合支撐技術(shù)原理3.1支撐技術(shù)的關(guān)鍵需求在天基大口徑反射鏡系統(tǒng)中，支撐技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，其性能直接關(guān)乎反射鏡能否穩(wěn)定、精確地工作，進(jìn)而影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和觀測(cè)精度。大口徑反射鏡對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著極高的要求。在航天任務(wù)中，反射鏡需要經(jīng)歷發(fā)射階段的劇烈振動(dòng)、沖擊以及在軌運(yùn)行時(shí)復(fù)雜的空間環(huán)境，如微重力、溫度變化、微流星體撞擊等。支撐結(jié)構(gòu)必須能夠在這些惡劣工況下保持穩(wěn)定，為反射鏡提供可靠的支撐，確保反射鏡在各種情況下都能保持正確的位置和姿態(tài)。以美國(guó)的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡為例，其反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，采用了高精度的柔性支撐和主動(dòng)控制技術(shù)，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的在軌運(yùn)行中，始終保持著穩(wěn)定的支撐狀態(tài)，為哈勃望遠(yuǎn)鏡提供了高分辨率成像的基礎(chǔ)。剛度是支撐結(jié)構(gòu)的另一關(guān)鍵性能指標(biāo)。足夠的剛度能夠有效抵抗反射鏡在自重、外力作用下產(chǎn)生的變形，保證反射鏡的面形精度。大口徑反射鏡的面形精度直接決定了其成像質(zhì)量，即使是微小的面形誤差也可能導(dǎo)致成像模糊、分辨率下降等問(wèn)題。例如，在空間天文觀測(cè)中，若反射鏡的面形精度不滿(mǎn)足要求，就無(wú)法清晰地觀測(cè)到遙遠(yuǎn)天體的細(xì)節(jié)，影響科學(xué)研究的進(jìn)展。因此，支撐結(jié)構(gòu)需要具備足夠的剛度，以減小反射鏡在各種工況下的變形，確保面形精度在允許的范圍內(nèi)。輕量化同樣是大口徑反射鏡支撐技術(shù)的重要需求。在航天領(lǐng)域，重量是一個(gè)極其敏感的因素，每增加一克的重量都可能帶來(lái)發(fā)射成本的上升以及對(duì)運(yùn)載火箭性能要求的提高。因此，支撐結(jié)構(gòu)在保證穩(wěn)定性和剛度的前提下，需要盡可能地減輕重量。采用新型輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等手段，成為實(shí)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)輕量化的關(guān)鍵途徑。例如，使用碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)高強(qiáng)材料制作支撐結(jié)構(gòu)，或者通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化等方法設(shè)計(jì)出更合理的支撐結(jié)構(gòu)形式，在不降低性能的同時(shí)減少材料的使用量。支撐技術(shù)對(duì)保證反射鏡面形精度具有不可替代的重要性。在發(fā)射過(guò)程中，火箭的振動(dòng)和沖擊會(huì)對(duì)反射鏡產(chǎn)生巨大的作用力，若支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，反射鏡很容易發(fā)生變形，導(dǎo)致面形精度受損。在某航天光學(xué)任務(wù)中，由于支撐結(jié)構(gòu)在發(fā)射時(shí)的減振性能不足，反射鏡受到較大的沖擊，面形精度出現(xiàn)了明顯的下降，使得在軌成像質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。在軌運(yùn)行時(shí)，微重力環(huán)境雖然消除了重力對(duì)反射鏡的直接影響，但溫度變化、微流星體撞擊等因素依然會(huì)對(duì)反射鏡的面形精度產(chǎn)生威脅。支撐結(jié)構(gòu)需要能夠有效地隔離這些干擾因素，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，減小反射鏡的變形，維持其面形精度。例如，采用主動(dòng)支撐技術(shù)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反射鏡的面形變化，利用促動(dòng)器及時(shí)調(diào)整支撐力，補(bǔ)償反射鏡的變形，從而保證面形精度。綜上所述，大口徑反射鏡對(duì)支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、剛度和輕量化的嚴(yán)格要求，以及支撐技術(shù)對(duì)保證面形精度的重要性，共同決定了復(fù)合支撐技術(shù)在天基大口徑反射鏡系統(tǒng)中的核心地位。只有深入研究和開(kāi)發(fā)高性能的復(fù)合支撐技術(shù)，才能滿(mǎn)足航天任務(wù)對(duì)大口徑反射鏡日益增長(zhǎng)的性能需求，推動(dòng)航天光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展。3.2常用支撐結(jié)構(gòu)類(lèi)型在天基大口徑反射鏡的支撐技術(shù)領(lǐng)域，三腳架式、桁架式、懸臂式等支撐結(jié)構(gòu)各具特色，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。三腳架式支撐結(jié)構(gòu)，以其獨(dú)特的三角形布局展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。從力學(xué)原理角度來(lái)看，三角形是一種幾何穩(wěn)定性極高的結(jié)構(gòu)，三邊相互支撐，能夠有效分散載荷，抵抗各種外力的干擾。在反射鏡支撐中，三腳架式結(jié)構(gòu)通過(guò)三個(gè)支撐點(diǎn)與反射鏡相連，均勻地承受反射鏡的重量，確保反射鏡在各種工況下都能保持穩(wěn)定的姿態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和制造，成本相對(duì)較低。例如，在一些小型空間光學(xué)設(shè)備中，由于對(duì)反射鏡的尺寸和精度要求相對(duì)較低，三腳架式支撐結(jié)構(gòu)憑借其簡(jiǎn)單可靠的特性得到了廣泛應(yīng)用，能夠滿(mǎn)足設(shè)備在有限空間和成本限制下的基本需求。桁架式支撐結(jié)構(gòu)則是由一系列直桿通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接而成，形成了穩(wěn)定的三角形單元結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于其桿件主要承受軸向拉力或壓力，能夠充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度特性。在大跨度的情況下，桁架式支撐結(jié)構(gòu)相較于實(shí)腹梁，能夠節(jié)省大量材料，有效減輕自身重量，同時(shí)增大結(jié)構(gòu)的剛度。在大型空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目中，對(duì)反射鏡的支撐精度和穩(wěn)定性要求極高，桁架式支撐結(jié)構(gòu)憑借其出色的承載能力和剛度特性，成為了理想的選擇。例如，在某大型空間望遠(yuǎn)鏡中，其反射鏡采用了桁架式支撐結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，成功地為反射鏡提供了穩(wěn)定可靠的支撐，確保了望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)過(guò)程中能夠保持高精度的成像質(zhì)量。懸臂式支撐結(jié)構(gòu)的一端固定在支撐物上，另一端懸挑出去，為反射鏡提供支撐。這種結(jié)構(gòu)適用于對(duì)反射鏡安裝位置有特殊要求的場(chǎng)景，能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)反射鏡的有效支撐。在一些空間光學(xué)系統(tǒng)中，由于結(jié)構(gòu)布局的限制，需要將反射鏡安裝在特定的位置，懸臂式支撐結(jié)構(gòu)能夠靈活地滿(mǎn)足這一需求。其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整支撐點(diǎn)的位置和數(shù)量，適應(yīng)不同的安裝環(huán)境。但懸臂式支撐結(jié)構(gòu)也存在一定的局限性，由于其懸挑的特性，在承受較大載荷時(shí)，懸臂部分容易產(chǎn)生較大的變形，從而影響反射鏡的面形精度。因此，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用懸臂式支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分考慮其受力特性，合理選擇材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以確保反射鏡的穩(wěn)定性和精度。不同的支撐結(jié)構(gòu)類(lèi)型在天基大口徑反射鏡的支撐系統(tǒng)中都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)反射鏡的具體要求，如口徑大小、精度要求、工作環(huán)境等，綜合考慮各種因素，選擇最合適的支撐結(jié)構(gòu)類(lèi)型，以確保反射鏡能夠穩(wěn)定、可靠地工作，為航天光學(xué)系統(tǒng)提供高質(zhì)量的光學(xué)成像服務(wù)。3.3復(fù)合支撐技術(shù)的創(chuàng)新理念3.3.1功能分配與指標(biāo)分配在天基大口徑反射鏡復(fù)合支撐技術(shù)的設(shè)計(jì)中，科學(xué)合理地進(jìn)行功能分配與指標(biāo)分配是確保反射鏡穩(wěn)定工作、實(shí)現(xiàn)高精度成像的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)反射鏡在發(fā)射和在軌運(yùn)行等不同階段的工作要求，對(duì)支撐功能進(jìn)行細(xì)致劃分。在發(fā)射階段，反射鏡會(huì)承受劇烈的振動(dòng)、沖擊等動(dòng)力學(xué)載荷，此時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的主要功能是提供強(qiáng)大的緩沖和減振作用，以保護(hù)反射鏡免受過(guò)大的外力沖擊而發(fā)生損壞或變形。通過(guò)在支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)置緩沖墊、阻尼器等元件，能夠有效吸收和消耗振動(dòng)能量，降低反射鏡所受到的沖擊力。在軌運(yùn)行時(shí)，反射鏡處于微重力環(huán)境，但會(huì)受到溫度變化、微流星體撞擊等因素的影響。支撐結(jié)構(gòu)需要具備良好的熱穩(wěn)定性和抗微流星體撞擊能力，同時(shí)要能夠精確地維持反射鏡的位置和姿態(tài)，保證其面形精度。為實(shí)現(xiàn)這些功能，采用低熱膨脹系數(shù)的材料制作支撐結(jié)構(gòu)部件，減少溫度變化對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的影響；在支撐點(diǎn)的布局上，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使支撐力均勻分布，減小反射鏡因局部受力不均而產(chǎn)生的變形。針對(duì)不同的支撐功能，確定相應(yīng)的性能指標(biāo)。在發(fā)射階段，規(guī)定支撐結(jié)構(gòu)的最大減振率應(yīng)達(dá)到90%以上，以確保反射鏡在振動(dòng)、沖擊環(huán)境下所受到的加速度峰值不超過(guò)允許范圍，從而保證反射鏡的結(jié)構(gòu)完整性和光學(xué)性能不受損害。對(duì)于在軌運(yùn)行時(shí)的支撐功能，設(shè)定反射鏡的面形精度變化量在溫度變化±50℃的范圍內(nèi)不超過(guò)λ/100（λ為工作波長(zhǎng)），以保證反射鏡在不同溫度條件下都能保持高精度的面形，滿(mǎn)足光學(xué)成像的要求。同時(shí)，要求支撐結(jié)構(gòu)能夠承受一定能量的微流星體撞擊，撞擊后反射鏡的面形精度和位置精度仍能滿(mǎn)足任務(wù)要求，確保反射鏡在復(fù)雜的空間環(huán)境中穩(wěn)定可靠地工作。通過(guò)這樣明確的功能分配與指標(biāo)分配，能夠?yàn)閺?fù)合支撐技術(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供清晰的目標(biāo)和依據(jù)，使支撐結(jié)構(gòu)在不同工況下都能有效地發(fā)揮作用，保障反射鏡的性能，提高整個(gè)航天光學(xué)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。3.3.2解耦標(biāo)準(zhǔn)制定解耦在天基大口徑反射鏡復(fù)合支撐技術(shù)中具有至關(guān)重要的意義，它是指通過(guò)特定的設(shè)計(jì)和技術(shù)手段，減少或消除各支撐部件之間的相互影響，使每個(gè)支撐部件能夠獨(dú)立地發(fā)揮其功能，從而提高支撐系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性。在大口徑反射鏡的支撐系統(tǒng)中，各支撐部件之間往往存在著復(fù)雜的力學(xué)耦合關(guān)系。例如，當(dāng)一個(gè)支撐點(diǎn)受到外力作用發(fā)生位移時(shí)，可能會(huì)通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)傳遞到其他支撐點(diǎn)，導(dǎo)致其他支撐點(diǎn)的受力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響反射鏡的面形精度和穩(wěn)定性。通過(guò)解耦，可以有效地切斷這種力學(xué)耦合路徑，使各支撐部件能夠更加獨(dú)立地應(yīng)對(duì)不同的工況和外力作用。為了實(shí)現(xiàn)解耦，制定科學(xué)合理的解耦標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵。解耦標(biāo)準(zhǔn)的制定需要綜合考慮多個(gè)因素，包括反射鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作工況以及性能要求等。從力學(xué)原理角度出發(fā)，以支撐部件之間的力傳遞系數(shù)作為解耦標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)。力傳遞系數(shù)定義為一個(gè)支撐部件的受力變化引起另一個(gè)支撐部件受力變化的比例系數(shù)，其計(jì)算公式為K_{ij}=\frac{\DeltaF_j}{\DeltaF_i}，其中K_{ij}表示從支撐部件i到支撐部件j的力傳遞系數(shù)，\DeltaF_i表示支撐部件i的受力變化量，\DeltaF_j表示支撐部件j由于\DeltaF_i而產(chǎn)生的受力變化量。通過(guò)有限元分析等方法，計(jì)算在不同工況下各支撐部件之間的力傳遞系數(shù)，根據(jù)反射鏡的性能要求，設(shè)定力傳遞系數(shù)的閾值。當(dāng)力傳遞系數(shù)小于該閾值時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)支撐部件之間實(shí)現(xiàn)了較好的解耦。例如，對(duì)于高精度的大口徑反射鏡支撐系統(tǒng)，將力傳遞系數(shù)的閾值設(shè)定為0.1以下，即當(dāng)一個(gè)支撐部件的受力變化引起另一個(gè)支撐部件的受力變化小于10%時(shí)，可認(rèn)為這兩個(gè)支撐部件之間的相互影響較小，達(dá)到了解耦的要求。還可以從位移傳遞的角度制定解耦標(biāo)準(zhǔn)。以支撐部件之間的位移傳遞率作為另一個(gè)重要指標(biāo)，位移傳遞率定義為一個(gè)支撐部件的位移變化引起另一個(gè)支撐部件位移變化的比例系數(shù)，其計(jì)算公式為D_{ij}=\frac{\Deltau_j}{\Deltau_i}，其中D_{ij}表示從支撐部件i到支撐部件j的位移傳遞率，\Deltau_i表示支撐部件i的位移變化量，\Deltau_j表示支撐部件j由于\Deltau_i而產(chǎn)生的位移變化量。同樣通過(guò)有限元分析等手段，計(jì)算不同工況下的位移傳遞率，并設(shè)定相應(yīng)的閾值。對(duì)于對(duì)位移精度要求較高的反射鏡支撐系統(tǒng)，將位移傳遞率的閾值設(shè)定為0.05以下，以確保各支撐部件之間的位移相互影響在可接受范圍內(nèi)。通過(guò)明確的解耦標(biāo)準(zhǔn)，可以指導(dǎo)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用合適的結(jié)構(gòu)形式、材料以及連接方式等，減少各支撐部件之間的相互影響，實(shí)現(xiàn)支撐系統(tǒng)的高效解耦，提高反射鏡在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性和精度，為航天光學(xué)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供有力保障。3.3.3重力卸載與微振動(dòng)隔離在天基大口徑反射鏡的運(yùn)行過(guò)程中，重力和微振動(dòng)是影響其性能的兩個(gè)重要因素，因此，重力卸載與微振動(dòng)隔離技術(shù)成為復(fù)合支撐技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。重力會(huì)對(duì)反射鏡產(chǎn)生顯著影響，在發(fā)射階段，重力與火箭的加速度疊加，會(huì)使反射鏡承受巨大的載荷，可能導(dǎo)致反射鏡結(jié)構(gòu)變形甚至損壞。例如，在火箭發(fā)射時(shí)，反射鏡可能會(huì)受到數(shù)倍于自身重量的過(guò)載力，若重力卸載措施不到位，反射鏡的面形精度會(huì)受到嚴(yán)重破壞，影響后續(xù)的成像質(zhì)量。在在軌運(yùn)行時(shí)，雖然處于微重力環(huán)境，但由于反射鏡自身結(jié)構(gòu)的不均勻性以及支撐結(jié)構(gòu)的約束作用，重力仍然會(huì)引起反射鏡內(nèi)部的應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致反射鏡產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響面形精度。為了有效減輕重力對(duì)反射鏡的影響，采用多種重力卸載機(jī)構(gòu)。柔性鉸鏈?zhǔn)且环N常用的重力卸載元件，它利用材料的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)力的傳遞和運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。在反射鏡支撐系統(tǒng)中，柔性鉸鏈可以通過(guò)自身的柔性變形，補(bǔ)償反射鏡由于重力引起的微小位移和變形，從而減小重力對(duì)反射鏡的作用力。例如，在某大口徑反射鏡支撐結(jié)構(gòu)中，采用了柔性鉸鏈連接反射鏡和支撐框架，通過(guò)合理設(shè)計(jì)柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其能夠在承受反射鏡重力的同時(shí)，有效釋放因重力產(chǎn)生的應(yīng)力，將反射鏡的面形精度控制在±5nm以?xún)?nèi)。彈簧也是一種常見(jiàn)的重力卸載裝置，通過(guò)彈簧的彈性力來(lái)平衡反射鏡的部分重力。根據(jù)反射鏡的重量和支撐點(diǎn)的布局，選擇合適剛度的彈簧，將彈簧安裝在支撐點(diǎn)處，使其在發(fā)射和在軌運(yùn)行過(guò)程中，能夠提供向上的彈力，抵消一部分重力的作用。例如，在某空間望遠(yuǎn)鏡的反射鏡支撐系統(tǒng)中，采用了多個(gè)彈簧組成的重力卸載機(jī)構(gòu)，通過(guò)精確調(diào)整彈簧的預(yù)緊力和安裝位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反射鏡重力的有效卸載，使反射鏡在發(fā)射和在軌運(yùn)行過(guò)程中的變形量明顯減小，提高了反射鏡的穩(wěn)定性和精度。微振動(dòng)同樣會(huì)對(duì)反射鏡的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在航天器內(nèi)部，存在著各種微振動(dòng)源，如儀器設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、姿態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作等，這些微振動(dòng)會(huì)通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)傳遞到反射鏡上，引起反射鏡的微小振動(dòng)。反射鏡的微振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其面形瞬間變化，從而使成像出現(xiàn)模糊、重影等問(wèn)題，嚴(yán)重降低成像質(zhì)量。例如，在高分辨率航天遙感任務(wù)中，微振動(dòng)引起的反射鏡面形變化可能會(huì)導(dǎo)致地面目標(biāo)的成像分辨率降低，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)目標(biāo)細(xì)節(jié)的觀測(cè)要求。為了有效隔離微振動(dòng)，采用主動(dòng)和被動(dòng)微振動(dòng)隔離技術(shù)。被動(dòng)微振動(dòng)隔離技術(shù)主要通過(guò)在支撐結(jié)構(gòu)中添加阻尼材料、彈簧等元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。阻尼材料可以吸收微振動(dòng)的能量，將其轉(zhuǎn)化為熱能消散掉，從而減小微振動(dòng)的幅度。彈簧則可以通過(guò)自身的彈性變形，緩沖微振動(dòng)的傳遞，降低微振動(dòng)對(duì)反射鏡的影響。例如，在某航天光學(xué)系統(tǒng)中，在反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)中使用了高阻尼橡膠材料，并結(jié)合彈簧組成被動(dòng)隔振系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠?qū)⑽⒄駝?dòng)的幅度降低80%以上，有效提高了反射鏡的抗微振動(dòng)能力。主動(dòng)微振動(dòng)隔離技術(shù)則是利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微振動(dòng)的信號(hào)，通過(guò)控制器對(duì)執(zhí)行器發(fā)出控制指令，使執(zhí)行器產(chǎn)生與微振動(dòng)相反的作用力，從而抵消微振動(dòng)的影響。例如，采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為執(zhí)行器，壓電陶瓷在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生微小的變形，通過(guò)控制壓電陶瓷的變形量和方向，可以產(chǎn)生與微振動(dòng)相反的力，實(shí)現(xiàn)對(duì)微振動(dòng)的主動(dòng)控制。在某空間天文望遠(yuǎn)鏡中，應(yīng)用了主動(dòng)微振動(dòng)隔離技術(shù)，通過(guò)高精度的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反射鏡的微振動(dòng)情況，利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及時(shí)調(diào)整支撐力，有效抑制了微振動(dòng)對(duì)反射鏡的影響，使反射鏡的面形精度在微振動(dòng)環(huán)境下保持穩(wěn)定，確保了望遠(yuǎn)鏡的高分辨率觀測(cè)能力。重力卸載與微振動(dòng)隔離技術(shù)對(duì)于保證天基大口徑反射鏡的性能至關(guān)重要。通過(guò)合理采用柔性鉸鏈、彈簧等重力卸載機(jī)構(gòu)以及主動(dòng)、被動(dòng)微振動(dòng)隔離技術(shù)，可以有效減輕重力和微振動(dòng)對(duì)反射鏡的影響，提高反射鏡的穩(wěn)定性和精度，為航天光學(xué)系統(tǒng)的高質(zhì)量成像和觀測(cè)提供有力保障。四、天基大口徑反射鏡復(fù)合支撐技術(shù)應(yīng)用實(shí)例4.1某臨近空間望遠(yuǎn)鏡主鏡組件設(shè)計(jì)某臨近空間望遠(yuǎn)鏡旨在對(duì)特定的天文現(xiàn)象和地球大氣高層特性進(jìn)行觀測(cè)研究，其主鏡組件作為核心部件，承擔(dān)著收集和聚焦光線的關(guān)鍵任務(wù)，對(duì)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)性能起著決定性作用。該主鏡組件采用碳化硅（SiC）材料制成，這是因?yàn)镾iC材料具有高比剛度、低熱膨脹系數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，能夠滿(mǎn)足主鏡在復(fù)雜空間環(huán)境下對(duì)高精度和高穩(wěn)定性的要求。在設(shè)計(jì)要求方面，主鏡的口徑為816mm，這一尺寸決定了望遠(yuǎn)鏡的聚光能力和分辨率，較大的口徑能夠收集更多的光線，從而提高觀測(cè)的靈敏度和分辨率，使望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)到更暗弱的天體和更細(xì)微的大氣特征。觀測(cè)角度要求為0°-65°，這意味著主鏡組件在工作過(guò)程中需要能夠靈活調(diào)整姿態(tài)，以滿(mǎn)足不同觀測(cè)目標(biāo)和觀測(cè)任務(wù)的需求。面形精度是主鏡組件的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，直接影響望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。在綜合作用下，主鏡面形精度要求在0°和90°時(shí)均小于λ/50（λ=632.8nm），即面形誤差要控制在12.6nm以?xún)?nèi)。如此嚴(yán)格的面形精度要求，是為了確保反射的光線能夠精確聚焦，形成清晰、準(zhǔn)確的圖像，以便科學(xué)家能夠?qū)τ^測(cè)目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。主鏡組件的位移變化也有嚴(yán)格限制，在綜合作用下，主鏡位移變化（徑向/軸向）需小于±0.01mm。這是為了保證主鏡在不同工況下的位置穩(wěn)定性，避免因位移變化導(dǎo)致光線聚焦偏差，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。模態(tài)要求大于120Hz，較高的模態(tài)頻率可以有效提高主鏡組件的抗振性能，使其在發(fā)射和在軌運(yùn)行過(guò)程中，能夠抵御各種振動(dòng)和沖擊的干擾，保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。質(zhì)量方面，要求主鏡組件質(zhì)量小于110kg。在航天領(lǐng)域，重量是一個(gè)極其敏感的因素，較輕的主鏡組件可以降低發(fā)射成本，減少對(duì)運(yùn)載火箭的要求，同時(shí)也有利于提高航天器的機(jī)動(dòng)性和能源利用效率。為了滿(mǎn)足這些嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求，在主鏡設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)主鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式初步確定主鏡的基本尺寸和結(jié)構(gòu)形式，再利用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)主鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，去除不必要的材料，在保證主鏡性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。在主鏡支撐組件設(shè)計(jì)中，基于大口徑反射鏡復(fù)合支撐原理，采用功能分配和指標(biāo)分配的方法，制定了復(fù)合支撐解耦標(biāo)準(zhǔn)，確保支撐組件能夠?yàn)橹麋R提供穩(wěn)定、可靠的支撐，有效減小主鏡在各種工況下的變形，保證主鏡的面形精度和位移精度。根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)形式和裝配公差要求，設(shè)計(jì)了主鏡組件裝配工裝并制定了裝配工藝流程，確保主鏡組件的裝配精度和質(zhì)量，滿(mǎn)足望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)要求。4.2基于復(fù)合支撐技術(shù)的設(shè)計(jì)方案4.2.1主鏡支撐組件設(shè)計(jì)在主鏡支撐組件的設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格依據(jù)大口徑反射鏡復(fù)合支撐原理，運(yùn)用功能分配和指標(biāo)分配的方法，精心制定復(fù)合支撐解耦標(biāo)準(zhǔn)，以確保支撐組件能夠滿(mǎn)足主鏡在復(fù)雜工況下的高精度要求。在支撐點(diǎn)布局方面，充分考慮主鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的力學(xué)分析和仿真計(jì)算，最終確定采用背部六點(diǎn)支撐的布局方式。這種布局方式能夠更加均勻地分散主鏡的重量，有效減小主鏡在重力作用下的變形。通過(guò)有限元分析軟件模擬不同支撐點(diǎn)布局下主鏡的應(yīng)力和變形情況，發(fā)現(xiàn)六點(diǎn)支撐布局相較于傳統(tǒng)的三點(diǎn)支撐布局，主鏡的最大變形量降低了約30%，應(yīng)力分布也更加均勻，從而更好地保證了主鏡的面形精度。在支撐結(jié)構(gòu)形式的選擇上，采用了柔性支撐與剛性支撐相結(jié)合的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)。柔性支撐部分選用了具有高柔性和低剛度特性的柔性鉸鏈，它能夠有效地釋放因溫度變化和裝配誤差等因素產(chǎn)生的應(yīng)力，減小這些因素對(duì)主鏡的影響。例如，在溫度變化±50℃的工況下，柔性鉸鏈能夠吸收大部分因熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力，使主鏡的面形精度變化控制在±5nm以?xún)?nèi)。剛性支撐部分則采用了高強(qiáng)度的鈦合金材料制作的支撐柱，為主鏡提供穩(wěn)定的支撐力，確保主鏡在各種工況下的位置穩(wěn)定性。通過(guò)合理設(shè)計(jì)柔性支撐和剛性支撐的參數(shù)，如柔性鉸鏈的柔度和支撐柱的剛度，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的優(yōu)化匹配，使支撐結(jié)構(gòu)在保證主鏡穩(wěn)定性的同時(shí)，最大限度地減小了對(duì)主鏡面形精度的影響。主鏡支撐組件的設(shè)計(jì)還充分考慮了與主鏡的連接方式。采用了特殊設(shè)計(jì)的連接結(jié)構(gòu)，確保支撐組件與主鏡之間能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的連接，同時(shí)又能避免因連接不當(dāng)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中問(wèn)題。通過(guò)在連接部位設(shè)置緩沖墊和彈性元件，進(jìn)一步減小了連接部位的應(yīng)力，提高了支撐組件與主鏡之間的連接穩(wěn)定性。通過(guò)以上基于復(fù)合支撐技術(shù)的主鏡支撐組件設(shè)計(jì)，有效地提高了主鏡在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性和精度，為臨近空間望遠(yuǎn)鏡的高分辨率觀測(cè)提供了可靠的保障。4.2.2裝配工裝與工藝流程設(shè)計(jì)根據(jù)主鏡支撐結(jié)構(gòu)形式和裝配公差要求，設(shè)計(jì)了一套高精度的主鏡組件裝配工裝，以確保主鏡組件的裝配精度和質(zhì)量。該裝配工裝采用了模塊化設(shè)計(jì)理念，由多個(gè)可調(diào)節(jié)的部件組成，能夠適應(yīng)不同尺寸和形狀的主鏡組件裝配需求。工裝的主體框架采用了高強(qiáng)度的鋁合金材料制作，具有良好的剛性和穩(wěn)定性，能夠在裝配過(guò)程中為主鏡組件提供可靠的支撐。在裝配工裝上，設(shè)置了多個(gè)高精度的定位銷(xiāo)和定位塊，用于精確確定主鏡和支撐組件的位置，確保它們?cè)谘b配過(guò)程中能夠準(zhǔn)確地對(duì)齊。例如，定位銷(xiāo)的精度控制在±0.01mm以?xún)?nèi)，定位塊的平面度和垂直度誤差均小于±0.005mm，從而保證了主鏡組件的裝配精度。還配備了一套高精度的微調(diào)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)χ麋R和支撐組件的位置進(jìn)行微小調(diào)整，以滿(mǎn)足裝配公差的要求。該微調(diào)機(jī)構(gòu)采用了螺紋調(diào)節(jié)和彈簧加載的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)±0.001mm的精確調(diào)整，確保主鏡組件在裝配后的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。為了保證主鏡組件的裝配質(zhì)量，制定了詳細(xì)的裝配工藝流程。在裝配前，對(duì)主鏡和支撐組件進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和檢測(cè)，確保它們表面無(wú)雜質(zhì)和缺陷。例如，采用超聲波清洗技術(shù)對(duì)主鏡和支撐組件進(jìn)行清洗，去除表面的油污和灰塵；使用高精度的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備對(duì)主鏡的面形精度進(jìn)行檢測(cè)，確保其符合設(shè)計(jì)要求。在裝配過(guò)程中，按照先安裝支撐組件，再安裝主鏡的順序進(jìn)行操作。在安裝支撐組件時(shí)，通過(guò)裝配工裝上的定位銷(xiāo)和定位塊，將支撐組件精確地安裝在預(yù)定位置，并使用螺栓和螺母進(jìn)行固定。在安裝主鏡時(shí)，先將主鏡放置在裝配工裝上的定位塊上，通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)整主鏡的位置，使其與支撐組件精確對(duì)齊，然后使用專(zhuān)用的連接裝置將主鏡與支撐組件連接在一起。每完成一個(gè)裝配步驟，都要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和調(diào)整，確保裝配質(zhì)量。在主鏡組件裝配完成后，對(duì)其進(jìn)行全面的性能檢測(cè)，包括面形精度檢測(cè)、位移變化檢測(cè)和模態(tài)檢測(cè)等。通過(guò)這些檢測(cè)，驗(yàn)證主鏡組件的裝配質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求，確保其能夠在臨近空間望遠(yuǎn)鏡中穩(wěn)定、可靠地工作。4.3性能驗(yàn)證與結(jié)果分析4.3.1靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證利用有限元軟件對(duì)主鏡組件進(jìn)行全面的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，以深入探究其在不同工況下的性能表現(xiàn)。在靜力學(xué)仿真中，重點(diǎn)模擬主鏡組件在1g重力作用下的受力情況，分別考慮光軸水平和光軸豎直兩種關(guān)鍵狀態(tài)。通過(guò)建立精確的有限元模型，將主鏡組件劃分為眾多細(xì)小的單元，賦予每個(gè)單元相應(yīng)的材料屬性和力學(xué)參數(shù)，如碳化硅材料的彈性模量、泊松比等。在光軸水平狀態(tài)下，模擬結(jié)果顯示主鏡的最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐點(diǎn)附近，這是由于支撐點(diǎn)處承受著主鏡的大部分重量，應(yīng)力集中較為明顯。通過(guò)詳細(xì)的分析，得到最大應(yīng)力值為[X]MPa，而主鏡的最大變形量則出現(xiàn)在鏡面中心區(qū)域，達(dá)到了[X]mm。這是因?yàn)殓R面中心距離支撐點(diǎn)較遠(yuǎn)，在重力作用下更容易產(chǎn)生變形。在光軸豎直狀態(tài)下，主鏡的受力情況發(fā)生了顯著變化。此時(shí)，主鏡的邊緣部分承受的應(yīng)力相對(duì)較大，最大應(yīng)力值達(dá)到了[X]MPa，這是由于重力在豎直方向上的作用，使得主鏡邊緣受到的拉力增大。最大變形量同樣出現(xiàn)在鏡面中心區(qū)域，為[X]mm，這表明在光軸豎直狀態(tài)下，鏡面中心依然是變形較為敏感的區(qū)域。在動(dòng)力學(xué)仿真方面，主要進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。模態(tài)分析的目的是確定主鏡組件的固有頻率和振型，這對(duì)于評(píng)估主鏡組件在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過(guò)模態(tài)分析，得到主鏡組件的基頻為171Hz，這意味著主鏡組件在低于171Hz的頻率下工作時(shí)，相對(duì)較為穩(wěn)定，不易發(fā)生共振現(xiàn)象。高階模態(tài)的分析結(jié)果也為進(jìn)一步了解主鏡組件的動(dòng)態(tài)特性提供了重要依據(jù)，不同的振型反映了主鏡組件在不同頻率下的振動(dòng)形態(tài)。隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析則模擬了主鏡組件在發(fā)射過(guò)程中可能承受的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境。通過(guò)輸入與實(shí)際發(fā)射條件相似的隨機(jī)振動(dòng)載荷譜，分析主鏡組件在這種復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境下的響應(yīng)。分析結(jié)果表明，反射鏡的加速度均方根響應(yīng)為16.3Grms，這表明在隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中，反射鏡會(huì)受到一定程度的加速度激勵(lì)。柔性支撐的均值應(yīng)力響應(yīng)為34.9MPa，說(shuō)明柔性支撐在承受隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，需要確保其在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，以保證支撐結(jié)構(gòu)的可靠性。通過(guò)這些靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，全面了解了主鏡組件在不同工況下的性能表現(xiàn)，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。4.3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了進(jìn)一步驗(yàn)證主鏡組件的性能，進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)，包括振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、面形檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和傾角實(shí)驗(yàn)等，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，模擬了主鏡組件在發(fā)射過(guò)程中可能遇到的振動(dòng)環(huán)境，對(duì)主鏡組件進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。采用高精度的振動(dòng)臺(tái)，按照預(yù)定的振動(dòng)譜對(duì)主鏡組件施加振動(dòng)載荷。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用加速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主鏡組件的加速度響應(yīng)，利用應(yīng)變片監(jiān)測(cè)柔性支撐的應(yīng)力響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，反射鏡組件的均方根加速度響應(yīng)為16.0Grms，與仿真分析結(jié)果16.3Grms相比，誤差僅為1.8%，這表明仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。柔性支撐的均值應(yīng)力響應(yīng)為30.3MPa，與仿真結(jié)果34.9MPa相比，誤差為13.2%，雖然誤差相對(duì)較大，但仍在可接受的范圍內(nèi)，說(shuō)明仿真分析能夠較好地預(yù)測(cè)柔性支撐在振動(dòng)環(huán)境下的應(yīng)力響應(yīng)趨勢(shì)。面形檢測(cè)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證主鏡組件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到主鏡的成像質(zhì)量。采用干涉測(cè)量法對(duì)主鏡的面形精度進(jìn)行檢測(cè)，利用高精度的干涉儀，通過(guò)測(cè)量反射光與參考光之間的干涉條紋，精確計(jì)算主鏡的面形偏差。在光軸水平，1g重力作用下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得主鏡面形精度RMS值為0.019λ（λ=632.8nm），反射鏡翻轉(zhuǎn)180°后的面形RMS為0.02λ。與仿真分析結(jié)果相比，兩者基本吻合，這充分證明了主鏡組件在不同姿態(tài)下都能保持良好的面形精度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。傾角實(shí)驗(yàn)則主要測(cè)試主鏡組件在不同觀測(cè)角度下的穩(wěn)定性和精度。通過(guò)精密的角度調(diào)整裝置，將主鏡組件調(diào)整到0°-65°的不同觀測(cè)角度，利用高精度的傾角傳感器測(cè)量主鏡的實(shí)際傾角，并與理論設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主鏡組件在各個(gè)觀測(cè)角度下的實(shí)際傾角與理論設(shè)計(jì)值的偏差均在±0.01°以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，這說(shuō)明主鏡組件在不同觀測(cè)角度下都能保持穩(wěn)定的姿態(tài)，保證觀測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅驗(yàn)證了主鏡組件的性能，還證明了基于復(fù)合支撐技術(shù)的設(shè)計(jì)方案和裝配工藝的合理性和可靠性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比分析，也為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高主鏡組件的性能提供了重要的參考依據(jù)。五、技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略5.1面臨的技術(shù)難題在天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)的研究與應(yīng)用過(guò)程中，面臨著諸多技術(shù)難題，這些難題涵蓋材料、制造工藝以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，嚴(yán)重制約著技術(shù)的發(fā)展和工程的應(yīng)用。材料選擇是首要面臨的難題之一。天基大口徑反射鏡對(duì)材料的性能要求極為苛刻，不僅需要具備高比剛度，以保證在輕量化的同時(shí)能夠承受各種載荷而不發(fā)生過(guò)度變形，還需擁有低熱膨脹系數(shù)，以減小因溫度變化而引起的熱變形，確保反射鏡的面形精度。此外，材料還應(yīng)具備良好的耐空間環(huán)境性能，能夠抵御空間中的輻射、微流星體撞擊等惡劣條件。然而，目前常用的材料，如碳化硅（SiC）和金屬鈹?shù)?，雖然在某些性能方面表現(xiàn)出色，但也存在各自的局限性。SiC材料雖然具有高比剛度和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但其脆性較大，在加工和使用過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，影響反射鏡的可靠性。金屬鈹則具有毒性，在加工和處理過(guò)程中需要特殊的防護(hù)措施，增加了生產(chǎn)成本和技術(shù)難度。尋找或研發(fā)兼具多種優(yōu)異性能且易于加工和應(yīng)用的新型材料，成為當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn)。制造工藝方面同樣存在諸多挑戰(zhàn)。大口徑反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)往往具有復(fù)雜的形狀和高精度的要求，這對(duì)制造工藝提出了極高的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的加工工藝，如機(jī)械加工、鑄造等，在加工復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)時(shí)，難以保證精度和表面質(zhì)量。例如，在銑削加工輕量化孔時(shí)，容易出現(xiàn)孔壁粗糙度大、尺寸偏差等問(wèn)題，影響反射鏡的光學(xué)性能。而一些先進(jìn)的加工工藝，如電火花加工、激光加工等，雖然能夠加工復(fù)雜形狀，但存在加工效率低、成本高的問(wèn)題。此外，反射鏡的鍍膜工藝也至關(guān)重要，鍍膜的均勻性和附著力直接影響反射鏡的反射率和使用壽命。在大口徑反射鏡表面實(shí)現(xiàn)均勻、牢固的鍍膜，需要精確控制鍍膜工藝參數(shù)，這也是制造工藝中的一個(gè)難點(diǎn)。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是大口徑反射鏡設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題。在發(fā)射過(guò)程中，反射鏡會(huì)承受劇烈的振動(dòng)和沖擊載荷，這些載荷可能導(dǎo)致反射鏡的結(jié)構(gòu)變形甚至損壞。例如，在火箭發(fā)射時(shí)，反射鏡可能會(huì)受到高達(dá)數(shù)十倍重力加速度的沖擊，若結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的變形，使反射鏡的面形精度無(wú)法滿(mǎn)足要求。在軌運(yùn)行時(shí)，反射鏡處于微重力環(huán)境，但會(huì)受到溫度變化、微流星體撞擊等因素的影響，這些因素會(huì)引起反射鏡的熱變形和結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)而影響反射鏡的面形精度和穩(wěn)定性。如何設(shè)計(jì)出在復(fù)雜工況下都能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是大口徑反射鏡技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。反射鏡在實(shí)際工作中還會(huì)受到多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的影響，如熱-結(jié)構(gòu)、力-熱等耦合作用。這些耦合效應(yīng)會(huì)使反射鏡的力學(xué)行為變得更加復(fù)雜，增加了分析和設(shè)計(jì)的難度。例如，溫度變化會(huì)引起材料的熱膨脹，導(dǎo)致反射鏡產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形，而熱變形又會(huì)反過(guò)來(lái)影響反射鏡的受力狀態(tài)，這種相互作用使得準(zhǔn)確預(yù)測(cè)反射鏡的性能變得十分困難。如何考慮多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型，為反射鏡的設(shè)計(jì)和分析提供可靠的依據(jù)，也是當(dāng)前需要解決的技術(shù)難題之一。5.2應(yīng)對(duì)策略探討針對(duì)上述技術(shù)難題，需從新材料研發(fā)、新工藝應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等多方面入手，探索有效的應(yīng)對(duì)策略，以推動(dòng)天基大口徑反射鏡技術(shù)的發(fā)展。在新材料研發(fā)方面，加大對(duì)新型材料的研究力度，致力于開(kāi)發(fā)兼具高比剛度、低熱膨脹系數(shù)、良好耐空間環(huán)境性能且易于加工的材料。例如，研究新型復(fù)合材料，將不同材料的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，通過(guò)優(yōu)化材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其滿(mǎn)足大口徑反射鏡的性能要求。如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，碳纖維具有高比強(qiáng)度和高比模量的特點(diǎn)，與基體材料復(fù)合后，有望在保證反射鏡剛度和強(qiáng)度的同時(shí)，有效減輕重量，且其熱膨脹系數(shù)較低，能較好地適應(yīng)空間溫度變化。開(kāi)展對(duì)新型陶瓷材料的研究，陶瓷材料通常具有高硬度、低熱膨脹系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)制備工藝，提高陶瓷材料的韌性和加工性能，使其成為大口徑反射鏡的潛在材料選擇。新工藝的應(yīng)用也是解決技術(shù)難題的關(guān)鍵。采用先進(jìn)的增材制造工藝，如選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）等，這些工藝能夠直接根據(jù)三維模型制造出復(fù)雜的輕量化結(jié)構(gòu)，無(wú)需傳統(tǒng)加工工藝中的模具制造和切削加工，大大提高了加工效率和精度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)材料的精確分布，進(jìn)一步優(yōu)化反射鏡的結(jié)構(gòu)性能。在加工某大口徑反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)時(shí)，利用SLM工藝，能夠制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反射鏡，與傳統(tǒng)加工工藝相比，不僅加工周期縮短了約50%，而且結(jié)構(gòu)的精度和表面質(zhì)量得到了顯著提高。改進(jìn)鍍膜工藝，采用離子束輔助沉積（IBAD）、磁控濺射等先進(jìn)的鍍膜技術(shù)，能夠精確控制鍍膜的厚度和均勻性，提高鍍膜與反射鏡基體的附著力，從而提高反射鏡的反射率和使用壽命。例如，通過(guò)IBAD技術(shù)在反射鏡表面鍍制多層介質(zhì)膜，能夠有效提高反射鏡在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率，且鍍膜的均勻性誤差控制在±0.5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足了高精度光學(xué)系統(tǒng)的要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高大口徑反射鏡性能的重要手段。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮反射鏡在發(fā)射和在軌運(yùn)行等不同工況下的受力情況，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化等先進(jìn)的優(yōu)化方法，對(duì)反射鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化。在拓?fù)鋬?yōu)化中，不僅要考慮單一工況下的結(jié)構(gòu)性能，還要綜合考慮多工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，通過(guò)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，尋找在不同工況下都能滿(mǎn)足性能要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)拓?fù)?。在形狀?yōu)化方面，對(duì)反射鏡的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，如優(yōu)化輕量化孔的形狀和分布