引言

过去五年发射的卫星中54 %来自对地观测卫星。随着对地观测卫星的投入和市场的不断扩大，对空间相机的性能要求也越来越高[1]。代表空间相机成像质量最重要的性能参数之一就是调制传递函数MTF，可以定量表示空间相机的空间分辨率性能。 [2]

其次，在制定和修订环节还需要考虑企业外部因素，尤其是政策改变和社会责任。中小企业数量众多，在当前人民的生产生活中的地位越来越高。管理制度是统管企业运行的总规则，要在制度中体现社会责任的内容，提高员工的社会责任感和社会意识。

MTFcamera=MTFopt·MTFccd·MTFelec·MTFmak，其中：MTFopt为光学系统MTF；MTFccd为探测器MTF；MTFelec为电路MTF；MTFmak为加工MTF。后三项数值往往受所选器件和工艺等约束较为固定，导致空间相机成像质量的决定因素为镜头设计及实现。因此，对于迫切需要发展的高分空间相机而言，高精度反射镜设计是眼下研究的关键要素。

根据某高分项目实际需求，光学系统要求某反射镜通光口径≥F300 mm，反射镜在各种工况还有加工和装调影响下的综合镜面面形均方根RMS≤1/80λ（λ=632.8 nm），反射镜组件重量小于10 kg。考虑到该口径反射镜目前国内能实现加工实现的面形RMS为0.011λ左右，通过指标分解要求各工况下反射镜设计面形RMS≤0.01λ，设计指标已达到中小口径反射镜研制国内外领先水平。

1 方案概述及材料选择

1.1 材料优选

空间相机镜头常用反射镜材料和金属材料如表1所示。

最终ZYGO干涉仪测量结果如图11所示，表明反射镜组件方案的先进性和可行性，实际波前差RMS达到1/80 λ。

铝、镁合金虽然密度小但弹性模量和热稳定性差，较难满足对结构刚度和热稳定性要求。钛合金线膨胀系数小、比强度高、尺寸稳定性好、具有良好的抗疲劳性和抗腐蚀性，适宜于用作光机结构零件。殷钢密度大，但其热膨胀系数通过定制可以与反射镜热膨胀系数一致、热稳定好，避免因环境温度变化带来的热应力影响，实现热匹配设计[6]。碳纤维环氧复合材料比刚度高、热稳定性好，但其尺寸稳定性差，会导致镜头性能不稳定。C/SIC随着编织和成型加工技术的提升，从过去多应用于镜筒到如今可应用至各类主承力结构形式，性能优异，但形位公差低还难以直接接触反射镜表面，需要粘接金属件，目前多用于反射镜背部支撑时的背板材料。

为完整起见，首先简单介绍柱面坐标系。设M（x,y,z）是空间中一点，过点M作直线和坐标面xOy垂直相交于点 M'，称点 M'为点 M在坐标面 xOy上的投影；设点M'的 极 坐 标 是 （r,θ），称 有 序 三 元 数 组 （r,θ,z） 为 点 M的柱面坐标(如图 1所示)。

本文从实际应用出发，设计了两种反射镜组件材料搭配组合方案：

方案一，为实现更低的质量和更高的力学性能，反射镜采用SIC，反射镜框采用钛合金；

方案二，为实现更好的热稳定性和更高的光学性能，反射镜采用微晶玻璃，反射镜框采用殷钢。

1.2 方案设计

 

表1 常用空间反射镜材料性能[3][4]

  

材料名称 密度ρ(103kg/m3) 弹性模量E(GPa) 比刚度E/ρ(107N•m/kg) 线胀系数α(10-6/K) 导热率λ(10-9m/W)SIC 3.05 400 13.1 2.5 185铍1.85 280 15.1 11.4 157微晶玻璃 2.53 91 3.6 0.05 1.6 ULE 2.21 67 3 0.03 1.3

 

表2 常用空间结构材料性能[5]

  

材料名称 密度ρ(103kg/m3) 弹性模量E(GPa) 比刚度E/ρ(107N•m/kg) 线胀系数α(10-6/K)铝合金 2.71 69 2.5 23钛合金 4.43 110 2.5 8.8镁合金 1.85 44.8 2.4 25.2殷钢 8.03 145 1.8 可定制碳纤维环氧复合材料 1.56 140 9 0.1 C/SIC 2 110 5.5 1.9

反射镜组件设计采用装框形式。这种设计结构紧凑，可靠性高，便于装调，面形易于保证，但对强迫位移较为敏感。同时，能够提供足够的支撑刚度和机械强度，经受得起航天应用环境中的剧烈冲击、振动和温度变化。

反射镜组件主要包含：反射镜、反射镜框以及反射镜挡块等零部件。方案一和方案二结构示意图如图1和图2所示。

1.2.1 反射镜

两种方案反射镜均采用了蘑菇头外形，如图3所示。反射镜通光口径282 mm，考虑到光学加工中塌边、倒角等各类因素预留单边余量4 mm，确定反射面直径290 mm。

最后，与同学、老师和家人等进行交流沟通也是行之有效的调节方式。语言学习充满了目的语和母语之间的负迁移，大量的记忆任务不可避免地会带来学习者心理上的压力、疑惑和挫折。部分被试（27.3%）提出与他人的交流和倾诉是有效的压力排解方式，而教师是最常选择的交流对象。

  

图1 方案一反射镜组件结构示意图

  

图2 方案二反射镜组件结构示意图

  

图3 反射镜外形示意图

其一，侧重兼顾全面.这是因为在每年的中考卷中，三种变换分布在客观题和解答题中，如2018年第24题是旋转题，而第10、11题是翻折题，第16题是平移题；其二，三种变换不是孤立存在的，三种变换中“质”的东西是相通的，掌握了一种变换，就会对另外的两种变换产生方法上的类比和思想上的启迪.

一般反射镜轻量化形式有：圆形、扇形、六边形、三角形等，如图4所示。其中圆形轻量化孔刚度最高，易于加工，但轻量化率低导致重量偏重，常用于玻璃反射镜；扇形轻量化孔一般应用于带有中心孔的圆形反射镜；其余轻量化孔加工难易程度差别不大，其中三角形轻量化孔刚度较高，四边形其次，六边形最小。综合考虑，SIC反射镜采用三角形孔轻量化形式。

钻孔灌注桩由于其自身的优势发展迅猛，在成本效益意识日益增强，环保要求越来越高的时代，半湿孔作业法将凭借快速、节约、稳定及环保等优点给工程建设质量提供了更多保障。本文是基于郑州西部地层特性桩基半湿孔成孔的可行性讨论，对本区域桩工建设及其他地区类似地层提供参考。

  

图4 轻量化孔形式

在三角形轻量化孔形式下，反射镜前端厚度、装框厚度、外环厚度和筋厚度的提升都有利于反射镜刚度。结合重量要求、加工工艺限制和经验（如前端过薄容易引起格子效应破坏面形），进行结构参数优化设计，结果如表3和表4所示。

最终，方案一SIC反射镜重量3.75 kg，轻量化率达到53 %。

考虑到微晶玻璃本身的材料刚度远不如SIC，所以微晶反射镜背部不安排轻量化孔以尽量提高镜子本身的刚度，提升镜面抗变形能力，全面保证使用面形精度。

当采用12个胶斑均布时，为达到必要的强度要求各胶斑面积增大，由于胶斑中心（为注胶孔位置，位于反射镜重心截面以避免产生力矩倾斜）靠近镜框上边缘导致胶斑大小受限无法满足；当采用24个胶斑时，注胶孔过密，装调注胶时胶斑大小不易控制，且胶斑分散均布对面形的影响与18个胶斑时差异不大。因此如表5中两个方案镜框示意图所示，镜框侧面周向设计了18个注胶孔。三个连接面附近不安排注胶孔，以减轻连接面对反射镜应力的传递。

1.2.2 反射镜框设计

最终，方案二微晶反射镜重量5.8 kg。

两种方案分别建立反射镜组件有限元分析模型，以质量为约束，基频为目标进行镜框外形拓扑和结构尺寸优化。结果如表5所示。

方案一的形式与常见透射镜框设计类似，减重效果更好；方案二的设计更便于背部的主被动热控实施，即满足光学设计要求的反射镜温度变化范围。最终，方案一钛合金反射镜框重量1.9 kg，方案二殷钢反射镜框重量3.8 kg。其中，方案二在连接面设计了凸台，便于提高连接面的平面度，减小强迫位移对玻璃反射镜的影响。

1.2.3 胶斑设计

胶是各工况下的力从镜框传递至镜面的重要环节，当反射镜面形精度要求高时，可将胶斑沿周向均布，以更均匀分布镜框变形和胶斑自身变形对反射镜的影响。

每个胶斑的大小依据恶劣力学环境下的粘接强度公式得到总粘接面积，再除以胶斑数量确定[7]。

 

其中，Q为最小粘结面积，W为镜子重量，a为恶劣力学环境之下的加速度，s为安全系数，J为胶的剪切强度。

铰孔部分：采用四齿双刃外排屑式铰刀，每个切削刃都由一个精细的主切削刃和一个副切削刃组成，中间开有冷却沟槽，对于加工台阶孔的复合钻铰刀的小直径部分，无法开冷却沟槽时，可做45°的斜面代替冷却沟槽。加工时，主切削刃起切削作用，副切削刃起修光作用。铰孔局部加工紧接着钻孔局部，完成孔的精加工，保证孔的精度。

装调时，通过注胶孔安装顶丝调整反射镜与镜框之间的径向间隙，然后周向均匀注胶，借助胶的自适应特性来保证反射镜与镜框间的热应力卸载，实现消热设计。同时，实现反射镜径向定位支撑和轴向双向约束作用。

  

图5 SIC反射镜背部侧面示意图

  

图6 微晶反射镜背部示意图

 

表3 SIC反射镜结构参数（单位：mm）

  

前端厚度 装框厚度 外环厚度 筋厚度4 40 14 3

 

表4 微晶反射镜结构参数（单位：mm）

  

名称 前端厚度 装框厚度尺寸 8 30

 

表5 反射镜框设计结果

  

方案一反射镜框示意图结构参数（单位：mm）侧壁上面筋厚度 侧壁下面筋厚度 侧壁周向筋厚度 侧壁厚度 底面厚度 底面筋厚度5 10 4 4 3 3方案二反射镜框示意图结构参数（单位：mm）侧壁上面筋厚度 侧壁下面筋厚度 侧壁周向筋厚度 侧壁厚度 底面厚度 底面筋厚度4.5 8 4 4 3 4

 

表6 反射镜组件模态

  

1阶：317.51 Hz 2阶：395.92 Hz 3阶：396.04 Hz方案一4阶：413.29Hz 5阶：964.73 Hz 6阶：965.08 Hz

2 方案分析

2.1 模态

模态分析可得到结构固有的振动模态，确定结构刚度的薄弱环节，并确保相机能够经受从地面装调试验到轨道空间等一系列力学环境的考验，特别是能够顺利通过严酷的发射力学环境[8]。

反射镜轻量化是把中性面上对镜体的抗弯刚度贡献很小的那部分材料从实体镜体中去掉，提高镜体结构的比刚度。方案一的反射镜采用SIC材料，比刚度高，适合轻量化。

在有限元分析软件中，对相机主体连接的6个孔约束6个自由度，计算前6阶约束模态。经计算两种方案反射镜组件基频分别为317 Hz和209 Hz，均能满足使用要求。反射镜组件前6阶约束模态计算结果和振型如表6所示。

2.2 重力变形

空间相机的装调和检测都是在地面重力环境中进行，而进入太空以后是失重环境，需要进行重力影响分析，确保相机进入失重环境重力释放后的精度影响仍在允许范围内。

模拟分析了实验室地面装调时光轴水平下的工况，得到重力环境下对反射镜组件的影响如表7所示。

2.3 热变形

空间相机在轨期间要长期经受太阳、行星辐照和空间冷黑热沉的交替加热和冷却。由热引起的光学和机械误差将导致相机的视轴漂移和光学系统的波前畸变，造成影像模糊。

以上结果为后续生化法对有机负荷有较好去除效果提供了一定的理论依据。活性污泥法进一步验证了混凝-加核絮凝组合工艺确实提高了废水的可生化性，生化处理后出水CODCr为88.1 mg/L，达到排放标准。

温度均匀升高1 ℃对反射镜组件的影响如表8所示。

根据45 km/h阻抗波特图，逆变器输入阻抗|Zi|在Zo谐振频率附近大于|Zo|+6 dB，同时输入阻抗相角∠Zi在输出阻抗相角∠Zo+120°的区域之外，即位于禁止区域，系统状态不稳定。

2.4 胶收缩

对反射镜组件进行胶固化实验和真空放气实验后（避免胶内部杂质在空间环境中释放带来的影响，以及验证反射镜组件在真空热环境下的适应性）会存在胶收缩现象，对反射镜四周产生拉力，最终传递到镜面发生鼓包变形，对面形产生影响。该现象容易被忽略，从而造成设计不达标反复更改，拖延研制进度。现按胶体积收缩1/100（经验值）进行模拟。两种方案反射镜RMS分别为7/1 000λ和2/1 000λ，证实两种方案均能够实现对反射镜面形变化的控制。如图7和图8所示。

末次随访时，B组腰痛整体情况优于A组，其中无痛例数显著多于A组，中度疼痛例数显著少于A组，差异均有统计学意义（P ＜ 0.05，表2）。末次随访时，B组患者ASIA分级情况显著优于A组，差异有统计学意义（P ＜ 0.05，表3）。

方案一更满足轻量化和动态刚度的要求，在轨失重和地面装配对面形影响相对较小；而方案二对环境温度变化相对更不敏感，同时真空下胶收缩的影响也更小。从实际角度出发，方案二的微晶反射镜已可以实现RMS≤0.011 λ的加工面形，且微晶材料采购和加工周期较短，成本也低得多，而SIC反射镜目前国内达到该加工面形研制难度大、加工周期长、耗费经费多。所以，方案一更适用于对重量和刚度要求更高的空间相机，当前工程能力下尚需进一步提升光加能力满足高精度面形要求；方案二更满足当前超高精度要求，更易于实物研制进行实验室方案验证。

2.5 强迫位移

由于接口面并非理想平面，存在细微落差，导致产生强迫位移。按接口面平面度0.005 mm施加强迫位移进行仿真，得到强迫位移下两种方案反射镜面形的变化RMS分别为1/1 000λ和3/1 000λ，如图9和图10所示。

 

表6 反射镜组件模态（续）

  

1阶：208.59 Hz 2阶：288.62 Hz 3阶：288.62 Hz方案二4阶：297.01 Hz 5阶：603.97 Hz 6阶：780.2 Hz

 

表7 重力对反射镜组件的影响

  

最大位移RMS:0.43 nm面形变化方案一8.15×10-4 mm最大位移RMS:0.76 nm面形变化方案二1.52×10-3 mm

 

表8 温升对反射镜组件的影响

  

最大位移RMS:2.9 nm面形变化方案一3.92×10-3 mm 面形变化 最大位移RMS:1 nm方案二7.83×10-4 mm

3 设计结果和实验

如表9所示两种方案可靠性较高，均能实现满足各工况下的设计要求。

其中，E表示流体的比能，i表示内能，E=i+1/2(u2+v2+w2)，k表示流体热传导率，T表示温度，源项SE表示单位时间供给单位体积流体的能量源。

2.4 样本检测结果比较 使用消化镜检法和PCR法同时检测121份样本，消化镜检法检出阳性3件，阳性率2.48%；PCR法检出5件（包含消化法检出的3件），阳性率为4.13%，两法基本相当，差异无统计学意义（χ2=0.52，P＞0.05）。其中消化镜检法查见华支睾吸虫囊蚴阳性3件样本，均采自青浦区农贸市场，麦穗鱼1件与鳑鲏鱼2件，PCR法检出5件（包含消化法检出的3件），另2件分别为采自青浦区农贸市场的麦穗鱼与鳑鲏鱼，见表1。

出于上述考虑，研制了方案二的产品，经历各实际工况试验后，完成装调测试。测试布局示意如下图所示：

与微晶玻璃或超低膨胀ULE相比，SiC的特性体现在其材料的比刚度E/ρ值，采用SiC材料的反射镜轻量化程度可以很高，尺寸稳定性好。铍是金属材料，比刚度较高，但难以满足热稳定性要求，而且铍含毒性，在国内难以加工。微晶玻璃加工工艺成熟，热稳定性好，对中小口径的加工面形可达到测试仪器精度极限，成本低周期短，但比刚度低导致轻量化程度低。ULE主要性能优势在于超低热膨胀和可高轻量化，各项指标与微晶玻璃差别不大，但加工面形不如微晶玻璃。

3.利用好信息技术，发挥技术上的优势。当今是知识经济信息时代，任何活动都需要在信息技术支持下开展。当然，信息技术的应用，不仅优化了经营管理程序，也能有效节约了管理的成本。企业需要结合信息技术，建立自身管理活动的信息技术机制。信息技术的强大功能，能够有效协调管理活动的各要素，通过应用信息技术，从而实现经济管理的成本最低。当然，利用信息技术来开展管理时，不仅是系统上的优化，而且通过对相关管理信息进行筛选，也能够让企业获得有效信息，进而服务于企业的经济管理活动。

4 小结

本文通过热门光机材料SIC和可定制殷钢搭配钛合金和微晶玻璃，设计了两种反射镜组件方案，以便能解决高分空间相机发展的瓶颈问题。通过充分全面的仿真分析，证实了方案的高性能。同时，结合实际技术基础，对方案二进行了实验室实物验证测试，达到了RMS≤1/80l的同等口径国内外领先水平，具有显著的工程应用价值。

  

图7 在zygo软件中SIC反射镜胶收缩后面形变化

  

图8 在zygo软件中微晶反射镜胶收缩后面形变化

  

图9 在zygo软件中SIC反射镜在施加强迫位移后面形变化

  

图10 在zygo软件中微晶反射镜在施加强迫位移后面形变化

 

表9 主要指标符合程度

  

方案一设计结果 方案二设计结果重量 5.65 kg 9.7 kg模态 317.51 Hz 208.59 Hz光轴水平重力面形变化 0.43 nm(0.7/1 000λ)0.76 nm(1.2/1 000λ)温度升高1 ℃面形变化 2.9 nm(4.6/1 000λ) 1 nm(1.6/1 000λ)真空放气后面形变化 7/1 000 λ 2/1 000λ强迫位移0.005 mm面形变化 1/1 000λ 3/1 000λ

  

图11 反射镜组件实验室面形测试示意

  

图12 装调完成后反射镜面形变化

随着未来超高分空间相机的研究，必将出现对在轨空间环境中小口径反射镜面形精度优于1/100 λ的超高难度要求，此时可在本文研究成果基础上在三个方面进行攻关：光学加工提升反射镜固有精度提升；镜框接口面精度从5 um提升至2 um以下，减少装配环境影响；粘接用胶进行配方优化，减少造成真空环境中的精度变化。

参考文献:

本文将专有知识定义为CPIKN中只被某一个协同成员掌握的知识。基于本文提出的加权知识超网络模型，协同成员pi拥有的专有知识集合

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