张 露

（中科院南京天文仪器有限公司，江苏南京 210042）

引言

平行光管是一种非常重要的光学仪器，在民用领域和军用领域都有着非常广泛的应用。在平行光管中通过配备不同的分划板和微目镜头，就可以实现对透镜组实现精确测量，可以获取目标透镜组的成像质量、鉴别率以及焦距等。平行光管还可以用于运动物体的直线性检验，这种功能的实现主要依托于高斯目镜和平面反光镜。本研究设计的三反光学系统是平行光管的一种，是构成空间高分辨率动态成像调试与测试系统的重要组成部分，将平行光管安装在运动模拟器上，模拟空间目标的实际运动特性（由近及远或由远及近的变加速度和变速度的运动特性），为空间目标光电观测与跟踪成像系统成像相机提供无限远目标，并对装调提供理想目标和基准，同时完成空间目标光电观测与跟踪成像系统成像相机光学系统焦距、分辨率、MTF 等性能指标的测试与标定。

国内有非常多的学者对平行光管的结构进行了研究，如吕保斌（2009）设计了两种不同形式的光学系统并比较了它们的光学性能[1]，吉小辉（2007）等研究了大视场平行光管的设计[2]。陈太喜（2021）在同轴三反光学系统成像理论的基础上, 通过孔径光阑离轴及平面反射镜折叠光路, 设计一个折叠式离轴三反光学系统[3]。陈小涵（2021）为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求，利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计[4]。本研究的机械结构设计是根据离轴式三反光学系统设计要求，在此基础上确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式，并对支撑方式对反射镜的影响进行了分析，这些研究都让三反光学系统的机械结构设计不断地优化，以期为后续地其他三反光学系统机械结构设计提供一些借鉴。

1 系统整体设计

1.1 系统设计指标及设计原则

三反光学系统由主镜组件、次镜组件、三镜组件、目标调节机构组件、主体结构构成。目标调节机构组件主要包括光源、分划板、调节机构等，目标的位置通过调焦机构来实现。本研究设计地三反光学系统主要机械指标如下：总长度：1 673 mm；光管主体长度：1 474 mm；最大宽度：1 020 mm；总高度约：667 mm；光轴高度：335 mm；总重量约：274 kg。

三反光学系统的设计原则主要包括以下几点：

（1） 科学性：在机械结构的设计上应当尽可能贴近项目实际需求，同时符合当前主流三反光学系统的设计思想，制定在技术、经费、研制周期等方面均切实可行的方案，尽可能体现设计的科学性。

（2） 经济性：在满足三反光学系统机械结构要求的情况下节约成本，尽量使用标准件，推广可靠性设计方法，将各个部分的设计难度分散，控制整体设计难度。

（3） 合理性：在结构设计中要尽量使用合理的结构设计，保证技术上的先进，合理使用新材料和新结构。

1.2 系统设计要求

三反光学系统是一种精密的光学系统，因而本研究设计的光学系统要严格满足设计指标，同时在设计上还要根据三反光学系统的特点，针对性地对结构进行设计，并保证主体机械结构地稳定性以及可靠性。具体而言系统需要满足以下几点：

（1） 精度要求：由于光学元件离轴使用，结构具有不对称性，无法采用传统的定心加工方法来保证较高的初装精度，结构设计必须合理设置机械基准、分配加工精度，满足系统初装精度的要求。

（2） 重量要求：由于光学系统的特点，镜片各个方向的尺寸均较大，需要合理设计光管的主体结构，在满足高刚度要求的前提下，尽量减轻重量。

（3） 稳定性要求：结构设计应采取措施保证光管主体的力学稳定性与热稳定性，同时具有足够的结构稳定性，使平行光管装调或使用期间可抵御各种干扰因素，保持光学元件面形精度及位置精度。

（4） 强度要求：结构必须要具有足够的强度和刚度，能够承受重力和动态载荷，在多种工作姿态时，光管主体结构具有足够的刚度和强度，目标分划板在装调过程中微动微调能力及稳定锁固能力。

1.3 系统整体设计

三反光学系统结构设计中通过合理支撑光学系统中的各个光学元件，构成高刚度、高稳定性的整体结构，与目标调节机构一起构成光管主体[5-6]。既具有足够的力学强度，能够承受地面重力载荷和离心力载荷；又具有良好的力学稳定性与热稳定性，能够保证光学系统所要求的各光学元件与像面之间准确的位置，从而实现三反光学系统在动态模拟器上良好的质量[7-8]。本研究采用的框架式结构如图1（b）所示，该结构具有结构简单、设计方法更加成熟、工艺性较好的优点，且多适用于离轴三反光学系统中。

图1

三反离轴光管光学口径中等，光学材料选用碳化硅，材料热性能稳定，加工工艺成熟，供货渠道畅通，可降低技术风险。结构材料的选择应在满足重量指标、性能要求的基础上，同时兼顾工艺成熟性、成本、周期等因素。由于研制周期和成本要求，整个光管重量要求不大于300 kg，因此选用比刚度与热特性优良的钛合金材料作为光管的结构主体材料，反射镜支撑结构采用与碳化硅热胀系数匹配的殷钢材料，以满足组件的刚度和热稳定性，提高光管的热稳定性。

2 机械结构详细设计

2.1 主体结构设计

三反光学系统主体结构是光管的主要承力结构。其中，前端面安装有次镜组件和目标调节机构组件；后端框架上安装主镜组件和三镜组件；主体结构还提供与动态模拟器平台的机械接口。主体结构提供各部分组件的安装接口及与动态模拟器的接口，通过机械加工保证各基准面之间的位置精度，各反射镜组件通过光管主体结构联接成一个整体，主体结构的力学及热稳定性是光学元件位置精度的重要保证，也是主体结构设计的重点。设计的主体结构见图2。

图2 主体机械结构设计

2.2 支撑结构设计

在三反光学系统中，光学镜面的背面支撑结构是保证最终光学系统成像质量的关键。而在支撑结构中有多种方案，包括托框支撑、中心支撑、多点支撑等，这些支撑方案各有优缺点，本研究选用的支撑方案是背部多点支撑方案，这种方案利用反射镜背部或侧面点支撑的合理组合，为反射镜提供足够的支撑刚度；同时通过自由度解耦消除多余约束，实现卸载，其优势在于结构简洁，不占用反射镜径向空间，重量较轻。支撑点设置灵活，利于减小轴向重力下面形误差。具体设计见图3（a）。

在背部三点支撑方案中，为了实现重力卸载、热应力卸载及装配应力卸载，本研究设计了柔性组件来实现。柔性组件由柔性环节、连接件、锥套3 部分组成，见图3（b）。柔性环节选用钛合金材料，通过在柔性环节上加工垂直的柔性沟槽，来释放这两个方向的自由度，为使柔性环节的刚度降低，设计了一个迷宫结构，这个结构是用来释放绕光轴转动的自由度。当受到重力以及热载荷作用时，产生的应力会首先使柔性环节变形，从而释放应力，保证反射镜面形精度。同时，柔节作为过渡零件，将反射镜连接至背架上。柔性环节与反射镜间设计一个锥套，锥套选用与SiC 热胀系数一致的殷钢材料（4J36），锥套与反射镜采用侧面粘接，在锥套底面不设粘接点，可以最大程度减小粘接应力对反射镜的影响。设计锥套的作用是保证在点胶后，柔性组件可以与反射镜粘接紧密。通过优化设计，确定锥套的锥度为1∶20。

图3

2.3 柔性单元有限元分析

在三反光学系统中，所有的机械结构设计都是为了保证最终的光学成像质量，因而，柔性单元的重要性不言而言。Ansys 软件是一种常见的分析软件，本研究使用Ansys 软件对支撑结构引起的镜面变形进行分析，对不同工况下镜面变形进行计算和分析，两种工况（见图4）分别为：

图4

（1） 反射镜竖直状态：利用软件进行镜面面形拟合，去除镜面刚体位移，获得反射镜支撑造成的表面变形。

（2） 反射镜镜面朝下状态：利用软件进行镜面面形拟合，去除镜面刚体位移，获得反射镜支撑造成的表面变形。

通过有限元分析后，可以得到两种不同工况下反射镜的PV 值RMS 值，其结果为：

（1） PV ＝22.8 nm ＝λ/27.8，RMS ＝5.1 nm ＝λ/124(λ=632.8 nm)。

（2） PV＝72.3 nm＝λ/8.75，RMS＝15.6 nm＝λ/40.56(λ=632.8 nm)。

从以上有限元分析的结果表明，本研究设计的柔性单元符合三反光学系统的实际使用要求。

3 结论

三反光学系统是一种重要的民用及军用检测装置，在很多领域都有着广泛的应用。本研究对三反光学系统的机械结构进行了设计，重点对三反光学系统的整体机械结构及支撑结构进行了设计，同时使用Ansys 软件对柔性单元的支撑效果进行了有限元分析。本研究设计的三反光学系统机械结构具有较高的可靠性和稳定性，符合三反光学系统的实际使用要求。