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Bipod支撑大口径反射镜的零重力面形测试技术.docx
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Bipod支撑大口径反射镜的零重力面形测试技术.docx
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0. 引 言
空间相机反射镜支撑的主要目的是在有效地进行定位的同时,隔离机械附加载荷,尤
其是温度变化产生的附加载荷,减小反射镜面形变形,以保持空间相机成像质量
[1-2]
。静定
支撑对机构的约束数量等于机构的自由度数量。当装配误差、温度变化引入形变时,静定
支撑结构能够有效卸载,对反射镜不产生附加应力
[3]
。双脚架结构(Bipod)是大口径空间
相机反射镜常用的一种准静定支撑结构。包括 ASRTO-F 空间望远镜、赫歇尔空间望远镜
HSO、Pleiades 相机、GEOEYE-1 对地观测相机等在内的众多空间相机均采用了 Bipod 支
撑形式
[4-5]
。
采用 Bipod 支撑的大口径反射镜在重力场的作用下,面形精度会下降。在地面装调
时,反射镜的面形是包含了重力变形、装配应力以及加工残差等因素综合影响的结果。空
间相机入轨后,随着重力变形的释放,反射镜面形发生改变
[6]
。为了评价空间相机的在轨
成像质量,准确获取反射镜的零重力面形是大口径空间相机研制过程中的重要课题。
GEOEYE-1 空间相机采用基于有限元分析的方法评估主镜的在轨面形,而 Kepler 太空望远
镜则使用气囊对主镜进行卸载,得到了 rms 为 1/30λ 的面形测试精度。
文中分析了采用 Bipod 支撑的 1.3 m 口径反射镜在重力作用下的面形误差,阐述了零
重力面形测试过程中的技术难点,提出了以仿真分析为指导的、分像差类别测试重力误差
的技术方案,并进行了测试试验验证。
1. Bipod 支撑反射镜的面形误差
1.3 m 口径反射镜的材料为超低膨胀石英(ULE),轻量化率超过 80%。运用有限元
分析方法对反射镜组件在光轴竖直状态下受重力影响的面形进行分析。重力影响带来的面
形变化为 rms 0.200λ,其面形分布云图如图 1 所示。
图 2 重力面形 Zernike 系数
Fig. 2 Zernike coefficients of the gravity surface figure
下载: 全尺寸图片 幻灯片
反射镜组件装配完成后,使用零位补偿检验法测试反射镜的重力面形,与有限元分析
得到的面形进行对比,可以初步判断反射镜的面形精度。为了实现高质量、高分辨率成
像,大口径空间相机的主镜在轨面形一般要求优于 1/40λ 甚至更高。由于反射镜轻量化镜
体在加工过程中存在一些不可控因素,以及在进行有限元分析时建模难以完全模拟实际情
况,上述对比过程存在一定误差,难以达到精度要求
[7]
。
在进行反射镜的光学加工时,采用多点重力卸载的方式剥离重力对面形的影响,能达
到优于 1/200λ 的重力卸载精度
[8-9]
。反射镜组件装配完成后,由于光机形式进一步复杂以及
空间的限制,光学加工阶段的卸载方案无法沿用,需要进行针对反射镜组件阶段的零重力
面形测试技术研究。
2. 重力误差测试精度分析
大口径反射镜组件的面形误差(以 W 表示)包含三方面:加工残留误差 W
1
、装配误
差 W
2
以及重力误差 W
1g
,在轨面形 W
0g
包含了其中的前两项 W
0g
=W
1
+W
2
。采用 Bipod 支撑
的反射镜,由于结构的准静定性,能够很好地消除装配应力与热载荷对反射镜面形的影
响,装配误差主要来源于胶黏剂的固化收缩应力。胶黏剂的固化收缩会造成面形的局部变
化
[10]
。该变化与三叶像差混叠,使得重力误差中的像散难以准确判断。
非球面镜一般采用零位补偿检验法进行面形检测
[11-12]
。在零位补偿检验光路中,激光
干涉仪、补偿元件和被测镜之间的距离精度会严重影响旋转对称像差的测试结果。以 1.3
m 口径反射镜的补偿检验光路为例,如图 3 所示,当干涉仪到补偿器、补偿器到被测镜的
距离调整精度为 0.02 mm 和 0.05 mm 时,Power 和球差的测试误差达到了 0.032λ 和
0.026λ,而三叶像差的测试误差仅为 0.0001λ。需要说明的是,在光学加工阶段虽然也使用
该检测光路,但是反射镜的旋转对称像差来源是其几何参数的偏差,是通过轮廓测量保证
的
[13]
。
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