CN103217777A - 一种大口径主反射镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大口径主反射镜包括镜面、背板、设置在背板外侧的外壁、设置在背板上的三个圆周均布的安装孔壁、设置在外壁和安装孔壁之间的多个加强壁、多个加强壁包括设置在背板中心的中心孔壁、沿中心孔壁圆周均布的三个加强壁单元、连接三个加强壁单元的三个连接壁。该发明主反射镜口径500mm，采用背部支撑安装方式，依据拓扑优化理论，基于变密度法计算所得背部开孔周向三部分对称的优化结构。

Description

一种大口径主反射镜
技术领域
本发明提供一种空间相机光学系统结构部件，尤其涉及一种大口径主反射镜。
背景技术
空间技术快速发展要求空间相机有更高的成像质量，这就要求空间相机口径不断增大。现有技术中大口径主反射镜轻量化采用背部开孔的方式，通常有六角形孔，三角形孔，扇形孔等，开孔的大小和分布方式依靠设计者经验设计或者是依靠经验公式计算得到，设计理论基础不准确，反射镜性能不稳定，主反射镜作为空间相机的主要部件，其质量大小直接影响了整个相机的质量，进而关系到发射费用的高低和人力物力的消耗，传统主反射镜轻量化效果不明显且镜面面形容易发生变化，镜体刚度不理想。
发明内容
为解决上述背景技术存在的缺陷，本发明提供一种大口径主反射镜，在不增设任何附加条件下，提高了轻量化效果、镜面面形、镜体刚度。
本发明提出的解决方案如下：
一种大口径主反射镜，包括镜面、背板、设置在背板外侧的外壁、设置在背板上的三个圆周均布的安装孔壁、设置在外壁和安装孔壁之间的多个加强壁、多个加强壁包括设置在背板中心的中心孔壁、沿中心孔壁圆周均布的三个加强壁单元、连接三个加强壁单元的三个连接壁；
加强壁单元包括上延伸壁组件、下延伸壁组件和外围壁组件；
上延伸壁组件包括上壁，依次设置在上臂左侧的左一壁、左二壁、左三壁，依次设置在上臂右侧的右一壁、右二壁、右三壁；所述上臂的内端与中心孔壁沿径向连接，所述上臂的外端与安装孔壁沿径向连接，所述左一壁、左二壁、左三壁、右一壁、右二壁、右三壁的一端均与上臂的外端固连；
下延伸壁组件包括下壁，设置在下壁左侧的左四壁，设置在下壁右侧的右四壁；所述下壁的内端与安装孔壁沿径向连接，所述下壁的外端与外壁沿径向连接，所述左四壁、右四壁的一端均与下壁的内端固连；
外围壁组件包括依次连接的左外三壁、左外二壁、左外一壁、右外一壁、右外二壁、右外三壁；所述左外三壁设置在左三壁的另一端和左二壁的另一端之间；所述左外二壁设置在左二壁的另一端和左一壁的另一端之间；所述左外一壁设置在左一壁的另一端和上壁的内端之间；所述右外三壁设置在右三壁的另一端和右二壁的另一端之间；所述右外二壁设置在右二壁的另一端和右一壁的另一端之间；所述右外一壁设置在右一壁的另一端和上壁的内端之间；
左三壁、左四壁的另一端固连在外壁上形成定位点；所述右三壁、右四壁的另一端固连在外壁上形成定位点；
三个连接壁位于相邻加强壁单元的左二壁和右二壁之间。
基于上述基本技术方案，本发明还可以进一步作如下优化限定：
上述大口径主反射镜三个加强壁单元的六个定位点沿圆周均布且相邻加强壁单元的定位点之间的孔壁上设置有缺口。
本发明具有以下优点：
轻量化效果好：通过轻量化率的计算，本发明比现有技术的轻量化率提高1.8%以上，所以轻量化效果优于现有技术模型。
镜体刚度好：使用有限元分析计算方法所得本发明比现有技术的基频提高140Hz以上，因此镜体刚度优于现有技术模型。
镜面面形好：反射镜水平放置只受自身重力影响的工况下，本发明变形后镜面节点最大变形位移减少，镜面凹凸峰谷值减少，面型平整度更好，所以本发明的镜面面形优于现有技术模型。
附图说明：
图1为现有技术的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
其中的附图标记为：1-外壁，2-加强壁，3-安装孔壁，4-中心孔壁，5-左外一壁，6-左外二壁，7-左外三壁，8-左一壁，9-左二壁，10-左三壁，11-左四壁，12-下壁，13-右四壁，14-右三壁，15-右外三壁，16-右外二壁，17-右外一壁，18-右二壁，19-右一壁，20-上壁，21-连接壁。
具体实施方式：
如图1、图2所示，本发明包括镜面、背板、设置在背板外侧的外壁、设置在背板上的三个圆周均布的安装孔壁（3）、设置在外壁（1）和安装孔壁（3）之间的多个加强壁（2）、多个加强壁（2）包括设置在背板中心的中心孔壁、沿中心孔壁圆周均布的三个加强壁单元、连接三个加强壁单元的三个连接壁。
如图1、图2所示，两个模型的主反射镜口径均为500mm，均使用碳化硅材料。（材料参数：密度3050kg/m3，弹性模量280Gpa，泊松比0.142）
比较本发明模型（图2）与现有技术模型（图1）的轻量化性能：两个模型的外壁（1）、镜面、安装孔壁（3）的厚度完全相同，通过有限元方法建模分析得到本发明模型体积为2.885*10-3m3，质量为8.799kg，传统模型体积为3.138*10-3m3，质量为9.571kg。
未减重模型是未进行任何减重设计的初始反射镜，同样使用碳化硅材料，使用有限元方法建模得到模型体积9.851*10-3m3，质量29.55kg。
两模型的重量参数对比如表一所示：
表一
Figure BDA00003041955800031
从表一中本发明模型（图2）的轻量化率为69.71%，相比现有技术模型（图1）本发明模型轻量化率提高了2.1%。
比较本发明模型（图2）与现有技术模型（图1）的镜体刚度、镜面面形：在反射镜水平放置只受自身重力影响的工况下分析计算本发明模型（图2）和现有技术模型（图1）的变形情况，通过有限元计算方法得到本发明模型（图2）镜面变形后，节点最大变形位移值为43.5nm，现有技术模型（图1）镜面变形后，节点最大变形位移值为46.8nm，通过有限元计算得到各个节点的变形位移值，将镜面各个节点的变形位移值作为数据源输入zernike拟合方法求得各个模型的PV值、RMS值以及基频如表二所示：
PV（Peak Value）值物理意义：镜面变形后，表面形貌最大峰谷值。
RMS（Root-Mean-Square）值物理意义：变形后实际镜面各个节点距理想镜面的距离的均方根值。
基频：物体的第一阶固有频率。
表二
模型 PV/nm RMS/nm 基频/Hz
本发明模型 3.51 7.633 2644
现有技术模型 3.58 9.223 2496
计算结果表明，本发明模型（图2）基频相比现有技术模型（图1）提高了148Hz，表明镜体刚度更好；水平放置受自身重力影响时，本发明模型（图2）镜面PV值相比现有技术模型（图1）降低0.07nm，RMS值降低1.59nm，节点最大变形位移值也降低了3.3nm，表明镜面面形方面优于现有技术模型（图1）；本发明模型（图2）轻量化率相比现有技术模型（图1）提高了2.1%，表明本发明模型（图2）在轻量化效果方面优于现有技术模型（图1）。
以上各项计算结果均表明本发明模型（图2）在轻量化效果、镜体刚度和镜面面形方面都优于现有技术模型（图1）。

Claims (3)

1.一种大口径主反射镜，包括镜面、背板、设置在背板外侧的外壁、设置在背板上的三个圆周均布的安装孔壁、设置在外壁和安装孔壁之间的多个加强壁，
其特征在于：
所述多个加强壁包括设置在背板中心的中心孔壁、沿中心孔壁圆周均布的三个加强壁单元、连接三个加强壁单元的三个连接壁；
所述加强壁单元包括上延伸壁组件、下延伸壁组件和外围壁组件；
所述上延伸壁组件包括上壁，依次设置在上臂左侧的左一壁、左二壁、左三壁，依次设置在上臂右侧的右一壁、右二壁、右三壁；所述上臂的内端与中心孔壁沿径向连接，所述上臂的外端与安装孔壁沿径向连接，所述左一壁、左二壁、左三壁、右一壁、右二壁、右三壁的一端均与上臂的外端固连；
所述下延伸壁组件包括下壁，设置在下壁左侧的左四壁，设置在下壁右侧的右四壁；所述下壁的内端与安装孔壁沿径向连接，所述下壁的外端与外壁沿径向连接，所述左四壁、右四壁的一端均与下壁的内端固连；
所述外围壁组件包括依次连接的左外三壁、左外二壁、左外一壁、右外一壁、右外二壁、右外三壁；所述左外三壁设置在左三壁的另一端和左二壁的另一端之间；所述左外二壁设置在左二壁的另一端和左一壁的另一端之间；所述左外一壁设置在左一壁的另一端和上壁的内端之间；所述右外三壁设置在右三壁的另一端和右二壁的另一端之间；所述右外二壁设置在右二壁的另一端和右一壁的另一端之间；所述右外一壁设置在右一壁的另一端和上壁的内端之间；
所述左三壁、左四壁的另一端固连在外壁上形成定位点；所述右三壁、右四壁的另一端固连在外壁上形成定位点；
所述三个连接壁位于相邻加强壁单元的左二壁和右二壁之间。
2.根据权利要求1所述的大口径主反射镜，其特征在于：所述三个加强壁单元的六个定位点沿圆周均布。
3.根据权利要求1或2所述的大口径主反射镜，其特征在于：所述相邻加强壁单元的定位点之间的孔壁上设置有缺口。
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