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图11.M1的表面粗糙度图
4. 光机设计
在发射、巡航和在轨期间，太阳轨道的板载光学仪器必须承受极端的温度变化以及强烈的振动和冲击负荷。任务是计划在近日点接近太阳约0.28个天文单位。为了在这些严苛的条件下运行，仪器必须工作在温度范围-30℃到90℃，抵挡发射时1500g的冲击负荷。一个稳定的机械设计已经研制出来满足来这些需求，以上是为了在轨的极端条件下保证至高的光学性能。由于极端温度和强载荷的组合，两脚架夹紧优先于胶溶液来固定反射镜到结构。
4.1 M1反射镜单元
M1的底座（如图12所示）由一个三角形底座组成，它使用了一系列的弯曲来保证反射镜的固定点。这一设计的固定点是图12底部的孔。因为底座是由硬化殷钢和殷钢36制成，接触面是铝制的，在两个非固定的安装点会产生大幅度的位移。双金属板弯曲用于这些位置，以减少底座的应力。连接非固定安装点的横梁由底部的棒加固。这是用于将第一泵本征模式的“热区”移动到两脚架组件的中心。
反射镜通过三套两脚架连接到底座，用螺栓拴在底座上。使用殷钢针插设计，反射镜可以固定到两脚架上。为了提高反射镜连接的滑动阻力，反射镜和针之间的接口是圆锥形的，并且涂有一薄金层。这提高了使节点滑动所需的力。为了进一步提高节点滑动的阻力，过盈配合应用到了针与两脚架之间的连接。
图12.M1反射镜单元的布局
为了满足总质量要求和优化M1单元性能，反射镜的质量需要减小。根据制造限制和光学性能要求，可以设计轻量化模型。4mm的最小壁厚度和5mm的最小表面厚度不变。使用了底切来提供反射镜额外的刚度。根据分析，预期的反射镜的最终质量减小到827g。轻量化设计从最远边和固定点移除了更多的质量，以便于使反射镜的重心尽可能的靠近几何中心。
为了最小化热力导致的表面变形，反射镜由高质量的微晶玻璃制成。而支撑结构是由高强度的殷钢合金组成。弯曲连接用于隔离反射镜单元和安装板。不加涂层的反射镜（与图15比较）部分显示了轻量化方式、下面的底座结构和两脚架。使用NX NASTRAN v6创建一个有限元（FE）模型，然后使用NASTRAN v. 7.1求解器分析它，最后在NX v6和FEMAP v10中进行后处理。通过FE分析，已经研究了单元的振动属性、机械稳定性和热性能。模型分析在0Hz到2000Hz的频率范围内进行，这覆盖了所有相关分析的本征频率。图13显示了模式1和模式2的形式，第一个本征频率在251Hz处。这在最小允许本征频率200Hz之上。第二本征频率（254Hz）对随机应力做出了最显著的贡献。在底座顶端的额外支撑结构，如图12所示，设计用于增加背向横梁的刚度，以及保持两脚架中心本征模的“热区”。
图13.M1反射镜单元共振模（FE分析）
在所有三个坐标轴随机、正弦和静态的载荷激励下，分析和测试了反射镜单元的振动。对于QM和FM1应用了不同的水平。在QM垂直方向上（平面外）随机振动的激励如图14（左）所示。载荷等于15.8的grms值。三个坐标轴模拟的响应曲线如图14（右）所示，其中x是垂直方向。在大约250Hz的峰值清晰可见，而最开始的2个模式之间相互重合且很难分辨。对于两个反射镜正弦静态载荷的案例已经进行了相似的仿真。另外，在操作温度范围和包括太阳辐射在内的极限温度处（-40°C和+100°C)），运行了一个热结构分析来估计光学表面的偏差。两个反射镜的最大波前误差总结在表1中。
图14.M1在离轴激励下随机振动的激励（左手边）和PE预测响应曲线（右手边）
安全边界是一个临界判据，用于判断在操作过程中一些部分是否能够承受施加在上面的力。定义如下：
下面的安全因子（FoS）已经应用：微晶玻璃（2.5），金属部件（1.5极限和1.25输出）和固定元（1.4和1.15）。上面描述的所有模拟的载荷情况的最小MoS如表2所示。即使在极限的情况下，所有的元件表现出正的安全边界，这表明设计将会承受具有足够安全边界的载荷。此外，分析也表明，反射镜表面将满足整个温度范围内的光学要求。
表2.M1所有模拟载荷情况的最小MoS
最终，FE分析结果需要通过实验振动测试的方法来验证。为此，在感兴趣的位置处反射镜单元需要装配一套加速传感器。M1 QM反射镜单元的一个例子如图15所示。然后，运行一个良好定义的测试程序，在所有三个轴上给反射镜施加特定的振动载荷，同时在良好定义点处测量加速度。
图15.为振动测试准备的M1-QM单元
总的来说，QM成功的通过了测试。两个实验结果显示在图16中，即在反射镜上任意激励的光谱（左）和振动的正弦扫频（右）。仔细观察可以发现，第一共振位于大约230Hz，接近分析结果（与图14比较）。在主峰的左边可以见到一个小的肩峰，这是初始的两个相邻的模式1和2，如FE分析中所报道的一样（见上文）。此外，比较在最大载荷应用之前和之后的正弦扫频，可以发现极好的一致性。因此，明确的证据表明没有机械变化（裂纹、塑性变形、滑动、松动或其他损伤）产生。
图16.随机振动（左）的测量光谱M1 QM及正弦扫频比较（右）
4.2 M2反射镜单元
M2单元（见图17）安装到一个钛环上（没有显示）。殷钢适配器用于两脚架和钛之间的缓冲。两脚架通过殷钢插脚固定到反射镜上。通过一组弹簧垫圈提供一个预载荷来保持连接，抵制滑动和裂缝。为了提高反射镜连接的滑动阻力，反射镜和插针之间的接口是圆锥形的。这会提高结点滑动所需的力。弹簧垫圈位于两脚架表面和反射镜垫片之间。根据指定，硬化殷钢和钛底座不应该形成紧的配合，因此，在它们之间设计了空间。然而，当环安装在一起时（见表1的M2错误预算），结果表明这个空间会对表面变形产生一定的影响。所以在制造过程中，决定减少空间，使环能够适应彼此。这会在变紧的过程中产生预载荷。M2单元作为一个斜置反射镜可以收集在飞行过程中产生的图像振动，鉴于此，互补钛环与一个压电驱动器相连。轻量也被用于M2反射镜（如图18所示）。没有接口板的质量是69g，满足了定义的最大质量为100g的要求。
图17.M2反射镜单元底座的布局
图18.轻量化的M2
在1730Hz和1735Hz预测的振动模式，满足了大于1.5kHz的要求。第一个振动模式显示在图19中。类似于M1，对M2单元已经进行了全面的FE分析。再一次，所有模拟情况（振动载荷、热结构）的最小MoS显示出正的安全边缘，这表明设计可以承受负载。此外，分析也表明在整个温度范围内和重力释放后，反射镜表面也满足光学需求。
图19.M2的第一共振模
就像M1单元，M2单元也需要经历精密光学、环境和机械测试，来证明设计的适宜性和适当的制造和装配条件。仿真和测量的振动响应对应在图20中（比较预测的红色曲线和测量的绿色曲线），在1530Hz处发现了第一响应，这稍微的小于预测值，但是仍然符合规格。
图20.M2单元（y轴）预测（左手边）和测量（右手边）的振动响应光谱
4.3.额外的实验测试
在振动测试没有显示出任何超出允许变形之前和之后，执行了所有关键部件的高精度坐标测量。此外，完成了在20 °C、40 °C和 60 °C的热测试，以了解在极限温度下单元的稳定性。可以表明在整个操作范围内，平移可在±20μm范围内。另外，执行了热循环测试（在整个存活范围内8个周期）。它表明光学表面可完全回复到最初的性能。总之，QM测试证明了其单元的可靠性，并证实了有限元分析的基本结论。
5.总结和结论
本文呈现了太阳轨道PHI-HRT仪器的反射镜设计的重要因素，概述了Ritchey-Cretien望远镜的光学设计，结果表明制造的高质量反射镜满足了预期的性能。此外，表面粗糙度要求在某些地方进行了详细的讨论。最后，已经勾勒出光机设计以及它的实现。最后，通过大量的实验测试表明，在太阳轨道的恶劣环境条件下，设计比较可靠，它能够为太阳物理研究提供高质量的图像。
致谢
作者想要感谢来自Cassidian Optronics、Carl Zeiss和MPS的所有贡献者，感谢他们对于成功完成设计出的每一份力。特别的，衷心感谢 H. Merkle (CO)先生丰富的经验和熟练的工作技能。
参考文献
[1] J. C. Stover, ed., Optical Scattering: Measurement and Analysis, 2nd ed., Vol. PM24 of the Press Monographs SPIE, Bellingham, Wash., 1995.
[2] J. E. Harvey, “Light scattering characteristics of optical surfaces”, Proc. SPIE 107-5, 1977.
[3] R. N. Youngworth and B. D. Stone, “Simple estimates for the effects of mid-spatial-frequency surface errors on image quality”, Appl. Optics 39, p. 2198 ff, 2000.
[4] Photon Engineering FRED Software, www.photonengnr.com
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