在现代航天探测、高分辨率对地观测以及深空光通信等领域，光学系统的性能指标日益严苛，不仅要求极高的空间分辨率和能量收集能力，还对系统的载荷质量、发射成本以及在轨运行的稳定性提出了前所未有的挑战。光学元件作为光学载荷的核心组成部分，其质量通常占据了光机系统总质量的显著比例。为了在有限的运载火箭运力条件下提升遥感相机的口径与焦距，必须通过先进的轻量化技术来降低镜体质量，同时确保反射镜在发射过载、地面重力和空间交变热环境下的面形精度（RMS）和动态刚度。

      轻量化技术不仅涉及结构几何形状的优化，还深度融合了材料科学、精密制造工艺以及复杂的结构力学分析。目前，实现光学元件轻量化的主要途径包括选用高比刚度材料、设计合理的背部减重孔结构以及采用一体化或复合制造工艺。材料方面，碳化硅（SiC）、铝合金（如 Al6061-T6）、铍（Be）以及超低膨胀微晶玻璃（Zerodur/ULE）等高性能材料的应用，为实现高轻量化率奠定了基础。而在结构构型上，光学元件的轻量化设计已从传统的简单背部挖孔，演进为精细的拓扑优化结构、封闭式蜂窝结构以及主副筋复合增强结构。

1. 背部开放式结构

      背部开放式结构是通过在反射镜背部通过切削、铸造或注塑工艺移除多余材料，形成具有特定几何形状的加强筋和减重孔，且减重孔的后端不设背板的结构形式。这种结构在民用商业遥感、航空红外载荷以及某些对成本和制造周期敏感的航天项目中具有显著优势，主要原因在于其制造工艺相对简单，能够利用单点金刚石车削（SPDT）或高速铣削直接加工成型，且在加工过程中易于排除磨削液或磨料，减少了工艺复杂性。

      背部开放式结构的减重效果和力学性能在很大程度上取决于减重网格的布局。常见的网格形式包括三角形、六边形、四边形以及基于拓扑优化的异形网格。三角形网格以其极高的抗弯刚度和结构稳定性著称，六边形网格则在减重效率和各向同性方面表现优异，而四边形网格则多见于特定几何边界的约束场景。下表概述了不同开放式网格形式在相同条件下的一般性能对比：

评价维度	三角形网格	六边形网格	四边形网格
抗弯刚度	最高	较低	中等
轻量化率潜力	较低	最高	中等
结构各向同性	较好	最好	较差 (具方向性)
加工复杂度	较高	适中	较低
典型面面形稳定性	极佳	较好	一般

1.1某星载相机的反射镜四边形轻量化形式案例

       四边形轻量化孔形式（包括矩形和正方形网格）在早期及部分特定功能的星载载荷中得到了应用。以我国“风云三号”（FY-3）卫星的扫描辐射计和中分辨率光谱成像仪（MODIS）为例，其扫描反射镜便采用了正方形孔的轻量化结构。

       在 FY-3 卫星的研制案例中，选择四边形网格主要基于扫描镜特定的矩形包络尺寸以及对特定方向刚度的需求。四边形筋板的布局能够与矩形镜体的几何边界形成自然的力学衔接，减少了边角区域的应力集中。然而，四边形结构在力学特性上表现出明显的各向异性，其沿筋板方向的抗弯能力远强于对角线方向，这要求在设计时必须使主应力路径与筋板方向严格对齐。

        除了“风云”系列卫星，国外的 KS-146 和 KA-112 相机在某些型号的扫描反射镜设计中也采用了类似的实体加局部四边形减重的策略。在这些应用中，反射镜材料多选用金属铝或玻璃材料。针对金属铝反射镜，四边形孔可以通过机械加工中心的高速铣削快速实现，生产成本较低。但在高性能的空间三反（TMA）光学系统中，由于四边形网格在受热或受重力影响时容易产生特定的非对称像差（如像散），其应用频率逐渐被稳定性更好的三角形网格所取代。

1.2 某空间相机反射镜六边形轻量化形式案例

       六边形轻量化形式因其与自然界蜂窝结构相似的几何特征，被认为是在大面积覆盖下实现高质量效率的理想方案。在某型空间相机的一体化铝合金反射镜设计案例中，科研人员针对口径为 300mm 的镜体，通过变密度拓扑优化方法设计了一种中心为六边形支撑的轻量化模型。

       该案例中的反射镜选用了 Al6061 铝合金材料。铝合金材料具有良好的加工性和导热性，但在比刚度上弱于碳化硅。为了弥补材料性能的不足，设计者通过拓扑优化确定了材料的最优分布路径：在反射镜背部形成了以光轴中心为圆心、呈六边形辐射排列的加强筋结构。这种六边形单元的优势在于其几何上的准各向同性，能够使得反射镜在不同方位的重力载荷下保持较为均一的面形误差。

       具体数据表明，该 300mm 口径铝反射镜经过优化后，质量仅为 2.08kg，轻量化率超过了 70%。在轴向重力和径向重力的耦合工况下，其面形均方根值（RMS）控制在 5.9nm 左右，展示了六边形结构在小型精密载荷中的卓越性能。此外，六边形单元在大型反射镜（如口径达 3.5m 的空间望远镜分块镜）的夹芯设计中也发挥着关键作用，通过调整六边形边长 d，可以精确控制镜体的刚度灵敏度。

1.3 某光学遥感器反射镜三角形轻量化形式案例

        在对面形精度稳定性要求达到近衍射极限的高性能光学遥感器中，三角形轻量化孔是应用最为广泛的构型。三角形结构的几何稳定性最高，其筋板在受力时主要承受轴向拉压，能够有效抑制弯曲变形。

       我国“风云四号”（FY-4）卫星的扫描反射镜即是三角形轻量化结构的典型应用案例。作为新一代静止轨道气象卫星，FY-4 要求扫描镜在高速往复扫描过程中保持极高的动力学稳定性。相比于 FY-3 采用的正方形孔，FY-4 扫描镜通过采用三角形网格，显著提升了镜体的基频，有效避开了卫星姿控系统的微振动频率区间。

       在另一针对 740mm*480mm 大尺寸矩形扫描镜的研究中，设计团队基于碳化硅（SiC）材料，设计了以三角形轻量化孔为主、背部开口的复合结构，实现了高达 81.4%的轻量化率。SiC 材料的高弹性模量（约 420GPa）与三角形网格的高刚度特性相结合，使得该大型镜体在 40°C 的均匀温差工况下，仍能通过背部三点支撑方案维持优异的面形精度。尽管三角形孔由于筋板交叉点密集、加工清理难度大而导致成本上升，但其在抗扭刚度和面形稳定性方面的绝对优势，使其成为高端遥感器的首选方案。

1.4 某轻型相机反射镜复合型轻量化形式案例

       随着任务需求向超轻型、高集成度方向发展，传统的单一网格结构逐渐向“主副筋交叉”或“异形拓扑”的复合型轻量化形式演进。这种设计的核心思想是：利用粗壮的主筋建立整体刚度框架，利用细密的副筋支撑镜面边缘，从而在最大限度减轻质量的同时，抑制所谓的“印透效应”（Print-through effect）。

      在某通光口径达 直径 1200（mm）的高性能碳化硅主反射镜研制案例中，便采用了这种精密的复合轻量化设计。反射镜采用了半封闭结构（在开口处增设翻边形成背板，提升边缘刚度），内部网格布局如下：

      ①核心区域：采用等边三角形腔体，以确保中心支撑区域具有最高的抗弯惯性矩。

      ②边缘区域：根据圆形镜体的几何轮廓，腔体逐渐过渡为扇形，以优化质量分布并适应支撑点          的布局。

      ③主副筋设计：在腔体内引入了交叉布置的主副筋结构，主筋厚度较大，负责传递地面支撑力        和发射载荷；副筋较薄，主要用于增强镜面蒙皮的局部刚度，将面形厚度不均匀性控制在              1mm 以内。

        该 1.2m 口径反射镜的设计目标面密度为 40kg/m^2，理论设计质量为 46.9kg。在实际制造中，通过反应烧结碳化硅（RBSC）工艺，实测重量为 51.3kg，光轴水平状态下的自重变形 RMS 仅为 2.87nm，基频高达 602Hz。这种复合形式成功解决了大口径镜体减重与面形精度之间的矛盾，代表了当前轻量化技术的高级形态。

2 封闭式结构（六边形、三角形）

        封闭式结构，又常被称为“三明治”夹层结构，由前镜面板、中间减重夹层（筋板网格）和后背板三部分通过一体化铸造、粘结或烧结而成。与背部开放式结构相比，封闭式结构在几何力学上形成了一个封闭的闭环路径，使其在相同材料用量下拥有极高的扭转刚度和抗弯模量。封闭式结构的优势主要体现在：

     ①更高的比刚度：通过引入背板，反射镜的截面惯性矩大幅增加，能够有效抵抗大范围的温度梯度变形和发射过载。

     ②良好的热对称性：三明治结构具有较好的热惯性对称性，能够减小由于温度梯度引起的镜面弯曲。

     ③极高的轻量化潜力：在追求相同刚度的情况下，封闭式结构可以采用更薄的筋板，从而在超大口径反射镜中实现超过 50% 甚至 65% 的减重目标。

下表列出了封闭式结构与开放式结构的关键参数对比参考：

结构参数	封闭式 (Closed-back)	开放式 (Open-back)
相同口径下的基频	显著更高	较低
自重 RMS 精度	优	良
加工制造难度	极高 (涉及内腔清理、粘结或一体烧结)	较低
热稳定性	极高	较高
代表性厂商/案例	Fraunhofer 实验室, 集成化蜂窝结构	商业遥感卫星, 铝合金直接铣削

2.1 某相机反射镜背部封闭式六边形轻量化形式案例

        封闭式六边形结构因其与蜂窝复合材料类似的力学特性，在大型航天望远镜主镜中得到了广泛研究。以德国 Jena Optronik 公司委托 Fraunhofer 实验室设计的结构为例，该反射镜采用了全封闭的六边形夹芯层。这种封闭式六边形结构的设计核心在于利用六边形单元的各向同性来支撑前后面板。在制造过程中，由于内部形成了众多的封闭空腔，传统机械加工无法实现。该案例中采用了增材制造（3D 打印）与陶瓷烧结相结合的工艺路径。通过激光选区烧结（SLS）或凝胶注模工艺制备出含有六边形蜂窝的素坯，再进行渗硅反应烧结。

        研究数据表明，该方案实现的减重比达到了 50% 以上，同时保证了镜体极高的基频。在一些大长宽比的平面反射镜（如 1220m* 198mm）应用中，半封闭式六边形结构配合背部三点支撑，能够在质量仅为 30.5kg 的情况下，抵御复杂的轨道交变热载荷。六边形闭孔结构还被用于研究增材制造铝合金（AlSi12）反射镜，结果显示 86mm 口径下可获得 63.5% 的轻量化率，且在两年保存期内面形稳定性极佳。

2.2 某相机反射镜背部封闭式三角形轻量化形式案例

        封闭式三角形结构通常用于对动态刚度有极端要求的精密指向系统或超大型折反射相机中。在针对某 直径 1.05m 空间光学系统主镜的设计中，科研人员提出并优化了一种三角形闭孔轻量化方案。该 1.05m 主镜采用碳化硅材料，通过在三球铰支撑下的系统优化，使得主镜质量降至 50kg 以下。三角形闭孔夹层提供了极强的结构约束，其自由状态下的一阶非零模态频率达到了 501.9Hz，三点支撑下为 361.2Hz。在 1°C 均匀温度变化下，由于三明治结构的对称性约束，镜面的面形误差波动极小。

     在制造层面，三角形闭孔结构可以通过“蜂窝粘结渗硅”工艺实现。具体步骤为：加工出超薄（如 1mm - 2mm）的碳纤维或碳化硅素坯上盖板、下盖板以及三角形蜂窝夹层，利用特定比例的胶粘剂将其粘结成整体，随后在裂解炉中碳化并进行渗硅烧结，形成化学性质统一的整体化镜坯。另一案例中，针对 1000mm 口径的光电经纬仪主镜，通过对前后面板厚度和三角形主筋分布的系统优化，成功利用有限元仿真（Abaqus）验证了其在复杂动载荷下的可靠性。

3 光学材料对轻量化结构的物理支撑

       轻量化构型的实现离不开材料本身的物理特性。在光学载荷中，材料的选取直接决定了比刚度（E/ρ）和热稳定性系数（λ/α⋅E）。下表展示了主流光学轻量化材料的关键性能指标：

材料名称	密度 ρ (g/cm³)	弹性模量 E (GPa)	比刚度 E/ρ	热膨胀系数 α(10⁻⁶/K)
铍 (Beryllium)	1.85	303	163.8	11.4
碳化硅 (SiC)	3.10	420	135.5	2.4
铝合金 (Al6061)	2.70	68	25.2	23.6
微晶玻璃 (Zerodur)	2.53	91	36.0	0.05
熔石英 (Fused Silica)	2.20	73	33.2	0.55

        从数据分析可见，虽然铍（Be）拥有最高的比刚度，但其粉末具有毒性，加工风险大且成本昂贵。碳化硅（SiC）的比刚度紧随其后，且具有优异的导热性能（导热率约为 120 W/(m⋅K)），使其成为大口径反射镜最理想的结构材料。铝合金虽然比刚度较低，但由于其优异的加工性和可以实现一体化支撑设计，在商业卫星和红外相机中仍占据主流地位。对于大口径（1m 级以上）反射镜，轻量化结构与材料的热匹配至关重要。例如，在 DN450mm 的 SiC 反射镜设计中，为了消除装配应力，支撑结构采用了线膨胀系数与 SiC 高度匹配的殷钢（Invar）材料，通过两脚架柔性结构确保了在 -20℃ 至 +40℃ 环境下的反射率优于 98%。

4 结构优化理论与仿真技术

       现代光学元件的轻量化设计不再依赖于单纯的经验式几何减重，而是基于严格的数学优化理论。拓扑优化（Topology Optimization）和灵敏度分析（Sensitivity Analysis）已成为核心手段。

4.1 变密度拓扑优化

       变密度法（SIMP）是目前反射镜结构设计中常用的方法。该方法以反射镜背部的材料密度作为设计变量，以刚度最大或频率最高为目标函数，在给定的体积约束下进行迭代。通过这种方法生成的异形加强筋往往能够顺应主应力分布，相比于传统的规则网格，其在同等质量下具有更高的基频和更小的自重变形。在某空间相机反射镜优化案例中，通过引入最小尺寸约束的拓扑优化，确定了背部加强筋的最优分布。随后，通过局部筋厚的多尺寸优化（Size Optimization）和灵敏度分析，最终在保证面形精度的前提下，实现了 60% 的轻量化率。

4.2 动静态刚度权衡

       在轻量化设计中，反射镜往往面临“面形精度”与“动态刚度”的权衡。过高的轻量化率会导致镜面变薄，在地面抛光过程中产生明显的网格印透效应，而在发射振动中可能产生局部的膜态振动。为了平衡这两者，设计者通常引入综合评价因子 Q。在某星载临边光谱仪离轴凹面反射镜的设计中，通过变密度优化确定了加强筋的最佳布局，随后利用有限元分析验证了镜体在轴向重力 和径向重力下的 RMS 值均优于0.02 λ。这种精细化的优化确保了反射镜在极端航天环境下的服役可靠性。

4.3 国产光学设计与仿真软件在轻量化中的应用

       随着我国光学工程领域的快速发展，以武汉二元科技有限公司为代表的国内企业自主研发的光学设计与仿真软件，已成为轻量化设计流程中不可或缺的工具。这些国产软件能够为复杂光学系统的设计、优化和性能验证提供高效、精准的解决方案。

       ROD（Ray Optical Designer）光学设计软件在轻量化设计中主要承担光学性能的精确优化与公差分析。轻量化结构的设计目标是维持极高的面形精度（RMS）和分辨率（MTF），ROD软件能够：

      ①精确优化：支持基于均方根光斑大小（RMS）、光程差（OPD）和调制传递函数（MTF）等关键指标的智能化优化，确保轻量化后的镜面在光学上满足设计要求。

     ②公差分析：轻量化结构对制造和装配误差极为敏感。ROD的公差分析功能能够评估制造与装配误差对系统性能的影响敏感度，通过蒙特卡罗分析等方法，为结构设计者提供关键的公差范围建议，从而指导制造工艺，提高良品率。

      OAS（Optical Advanced Software）光学分析软件则侧重于复杂环境下的性能验证与高级仿真。轻量化结构在实际应用中面临热变形、杂散光等复杂问题，OAS软件的优势在于：

      ①序列/非序列光线追迹：支持3D空间中高精度光线追迹，尤其适用于非序列模式，用于模拟轻量化筋板结构可能引起的杂散光现象，并评估其对成像质量的影响。

      ②波动光学仿真：对于要求达到衍射极限的超精密光学系统，OAS支持相干光束模拟和偏振光线追迹，用于验证轻量化结构对波前质量的微小影响。

      ③CAD无缝集成：OAS支持导入STEP、IGES等机械CAD格式文件，实现光学模型与轻量化结构模型的无缝对接，有助于在设计初期就发现光机集成中的潜在问题，减少迭代。

通过将结构优化（如有限元分析）与光学仿真（如ROD和OAS）相结合，设计人员能够在一个统一的框架内对轻量化方案进行光-机-热耦合分析，从而实现设计效率和性能可靠性的同步提升。

5 制造与检测工艺的挑战

复杂的轻量化结构对制造工艺提出了极高的要求。对于背部开放式结构，尤其是三角形和四边形孔，单点金刚石车削（SPDT）提供了亚微米级的加工精度，但仅限于铝合金等有色金属。针对碳化硅等脆硬陶瓷材料，制造流程通常包括：

      ①素坯成型：利用凝胶注模（Gelcasting）工艺将混有高分子单体的 SiC 浆料注入复杂模具。

      ②干燥与素坯加工：在素坯阶段进行轻量化孔的精加工，此时材料强度较低，易于成型。

      ③反应烧结：在真空炉内，硅液通过毛细作用渗入坯体，发生 Si+C→SiC的反应。烧结后的反射镜坯体硬度极高，必须进行长时间的铣磨和抛光。

     ④表面改性与镀膜：由于烧结 SiC 表面存在气孔，通常需要利用磁控溅射技术沉积一层硅改性层，随后进行光学抛光，最终镀制高反射率铝膜或金膜，反射率可优于 95%。

       在大口径反射镜的地面检测中，由于轻量化镜体对重力极其敏感，支撑结构的设计同样关键。通过将光轴水平状态定为检测状态，并利用多点卸载机构，可以准确提取镜体本身的物理面形，从而指导后续的离子束抛光（IBF）。

6 总结与未来趋势

      光学元件轻量化技术是光学系统性能提升的核心引擎。通过从背部开放式结构向封闭式结构的演进，以及从规则几何网格向复杂拓扑优化构型的转变，反射镜的面密度已从传统的数百公斤每平米降至目前的 30-50 kg/m² 级别。

      未来，该领域的技术趋势将主要集中在以下三个方向：

       首先是增材制造（3D 打印）的全面渗透。激光选区熔化（SLM）和数字光处理（DLP）技术将允许设计者实现如 Voronoi 空间点阵、三周期极小曲面（TPMS）等极其复杂的仿生轻量化结构，进一步突破减重极限并提升比刚度。

       其次是材料功能一体化设计。通过在复合材料内部嵌入热控管路或应变传感器，实现反射镜的自感知和自适应修正，从而抵消由于极高轻量化率导致的结构柔性增加带来的面形偏差。

       最后是低成本批产技术。随着商业航天“卫星星座”需求的爆发，如何利用精密注塑成型、模块化拼接以及快速渗硅工艺，在保证高性能的同时缩短制造周期、降低单位成本，将成为轻量化技术走向产业化的重要课题。

        本报告所述的各项案例与技术指标表明，轻量化设计并非孤立的结构减重，而是涵盖了材料选取、拓扑优化、工艺实现以及精密检测的系统工程。在这一过程中，国产光学设计与仿真软件的介入，极大地提升了设计验证的效率和精度。在未来的空间探测任务中，这种多学科交叉的轻量化技术将继续支撑更大口径、更高精度的光学之眼探索宇宙深处。