CN103969788A - 一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构 - Google Patents
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Abstract
一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构属于空间光学遥感技术领域，目的在于解决现有技术存在的镜面变形大和重量浪费较大的问题。本发明的包括：均匀加工在反射镜镜体侧面圆周上的三个镜体凸台；分别与三个镜体凸台连接的三个柔性支撑单元，所述柔性支撑单元包括粘接框、支撑臂和支撑座；所述粘接框两端通过两个支撑臂与所述支撑座连接；所述支撑臂所述粘接框四个内角处均加工有柔性槽，相邻两个柔性槽之间形成豁口，粘接框端面形成四个粘接面，所述四个粘接面绕豁口具有相对于粘接框的柔度；所述粘接框通过四个粘接面与所述镜体凸台固定连接。本发明减小粘接与装配过程中产生的应力，并保证反射镜的面形精度不超出光学设计的允差值。
Description
技术领域
本发明属于空间光学遥感技术领域，具体涉及一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构。
背景技术
空间光学遥感器是进行天基地球资源勘测、空间天文观测、地理信息测绘与国防详查普查的精密光学遥感系统。通常构成空间光学遥感器光学系统的基础元件是光学反射镜。光学反射镜安装定位精度与面形精度的好坏直接影响着光学系统成像质量的高低。而为了控制遥感器的整机重量，必须对反射镜进行轻量化设计并控制反射镜的总厚度。这就导致了反射镜绝对刚度的下降和对外界力学、热学载荷敏感度的增大。因此空间反射镜的支撑结构必须具有良好的静态结构刚度与稳定性、优异的动态结构刚度与强度、极佳的热结构特性。对于直径小于200mm的小口径空间圆形反射镜，一般采用中心支撑或轴向边缘压紧的安装方式。上述支撑方式仅适用于小口径空间反射镜，当口径较大时，无论是刚度、强度还是热稳定性都不能满足需要。
公开号为CN102096172A的中国专利公开了一项发明名称为一种空间遥感器反射镜背部柔性支撑结构的技术方案。参见附图1，该柔性支撑结构包括：直筒部1、大法兰端部2、小法兰端部3、第一环形槽4、第二环形槽5、空刀6、背板7、反射镜8和锥套9；所述大法兰端部2和小法兰端部3分别与直筒部1的一端相连，直筒部1、大法兰端部2和小法兰端部3为一体式结构。在大法兰端部3开有第一环形槽4，在小法兰端部3开有第二环形槽5，构成两处柔性结构，所述第一环形槽4和第二环形槽5均开有空刀6。通过在反射镜背部三处盲孔粘接的锥套分别与3个该柔性支撑元件连接，该柔性支撑元件再与背板连接，提供反射镜背部支撑所需的各自由度约束，同时在较大温度范围内满足光学设计对反射镜面形的要求。这种安装技术的缺点是：a)该柔性支撑结构安装在反射镜背部，需要对镜体加工出较大的盲孔以放入镶嵌件与支撑件，降低了该处镜体的刚度，螺栓与销钉处的应力容易导致镜面变形；b)有效重量比低，直筒部 为一空心轴，其质量分布仅为了连接大法兰端部与小法兰端部，没有轻量化，重量浪费较大；c)连接层次复杂，力学非线性因素多，需要两个层面的螺栓连接与销钉定位，镶嵌件与镜体粘接部位粘接面积大，距离镜面很近，胶层的特性变化容易引起镜面的面形变化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构，解决现有技术存在的镜面变形大和重量浪费较大的问题，保证在重力场相对反射镜体坐标系变化和外界环境温度发生一定变化时，反射镜的面形精度均方根RMS值仍然在允差范围内。
为实现上述目的，本发明的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构包括：
均匀加工在反射镜镜体侧面圆周上的三个镜体凸台；
分别与所述三个镜体凸台连接的三个柔性支撑单元，所述柔性支撑单元包括粘接框、支撑臂和支撑座；所述粘接框两端通过两个支撑臂与所述支撑座连接；所述支撑臂所述粘接框四个内角处均加工有柔性槽，相邻两个柔性槽之间形成豁口，粘接框端面形成四个粘接面，所述四个粘接面绕豁口具有相对于粘接框的柔度；所述粘接框通过四个粘接面与所述镜体凸台固定连接。
所述支撑臂为一体的柔性簧片结构，包括簧片Ⅰ、簧片Ⅱ、簧片Ⅲ和簧片Ⅳ，所述簧片Ⅰ和簧片Ⅳ共面，所述簧片Ⅱ和簧片Ⅲ共面，所述簧片Ⅰ和簧片Ⅳ与所述簧片Ⅱ和簧片Ⅲ相互正交。
所述支撑座包括安装凸台、销钉孔、螺栓通孔和连接杆；所述每个支撑臂的簧片Ⅳ分别与两个安装凸台固定连接，所述两个安装凸台通过连接杆连接，所述每个安装凸台四个角处设置有螺栓通孔，所述安装凸台上还设置有销钉孔。
所述镜体凸台为四边形凸台。
所述柔性支撑单元为一体式结构。
所述柔性槽的宽度为1-2mm，所述柔性槽两端圆角半径r取值范围为4mm≤r≤8mm。
所述柔性支撑单元的材料的热膨胀系数与所述反射镜镜体的热膨胀系数一 致。
本发明的有益效果为：本发明的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构通过安装凸台上的螺栓通孔与遥感器主承力结构的机械接口连接，并通过销钉孔与主承力结构配打销钉实现定位。
圆形反射镜的柔性支撑结构共有三处呈120°均布的柔性支撑单元，每处柔性支撑单元的粘接框上具有四处呈90°均布的线切割一体成型的柔性槽，将粘接框的端面分割成四处用于与镜体凸台的侧面粘接的粘接面。此处设计的四处柔性槽彼此相邻之间形成柔性环节豁口，使得粘接面可以绕豁口具有相对粘接框的柔度。当镜体凸台与粘接面之间的粘接剂由于固化、吸湿、老化等原因发生变形而产生应力时，豁口可以发生变形，吸收应变能并阻止应力传递至反射镜镜体。在每根支撑臂上的四处柔性环节簧片Ⅰ、簧片Ⅱ、簧片Ⅲ和簧片Ⅳ使得一根支腿具有五个方向的自由度和一个方向的约束。具有两个支撑臂的一个柔性支撑单元便等效于一个具有两个转动自由度的球铰链，三处柔性支撑单元便对镜体形成了等效于三个球铰链的完全运动学约束而没有引入过约束。这便实现了对反射镜镜体的精密安装定位。当重力场相对反射镜镜体坐标系发生变化时，柔性支撑单元能够始终实现对反射镜镜体的完全约束，极大减小了镜面面形精度的变化。同时由于每根支腿上簧片Ⅱ和簧片Ⅲ的存在，使得柔性支撑单元具有沿反射镜镜体径向方向的线位移柔度。当外界环境温度变化导致反射镜镜体与主承力结构热膨胀变化量不一致时，通过簧片Ⅱ和簧片Ⅲ的自身变形来吸收应变能，极大的减小了此时镜面面形精度的变化。针对不同的动力学环境选择合适的簧片尺寸可以保证柔性支撑结构的刚度与强度满足设计需要。
在实现对圆形反射镜完全运动学定位安装的同时，通过设计在三处柔性支撑上的一体式柔性调整单元，大大减小粘接与装配过程中产生的应力，并保证反射镜的面形精度在外界力学与热载荷作用下不超出光学设计的允差值，加工工艺与装配过程简单，工作可靠，免除维护过程。
附图说明
图1为现有技术的一种空间遥感器反射镜背部柔性支撑结构示意图；
图2为本发明的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构总体 结构示意图；
图3是图2中装配关系的爆炸示意图。
图4为本发明的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构中柔性支撑单元的正视示意图。
图5本发明的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构中柔性支撑单元的正等测方向示意图；
其中：1、直筒部，2、大法兰端部，3、小法兰端部，4、第一环形槽，5、第二环形槽，6、空刀，7、背板，8、反射镜，9、锥套，10、反射镜镜体，11、柔性支撑单元，12、镜体凸台，13、柔性槽，14、豁口，15、粘接面，16、簧片Ⅰ，17、簧片Ⅱ，18、簧片Ⅲ，19、簧片Ⅳ，20、安装凸台，21、销钉孔，22、螺栓通孔，23、连接杆，24、粘接框。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图2和附图3，本发明的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构包括：
均匀加工在反射镜镜体10侧面圆周上的三个镜体凸台12；
分别与所述三个镜体凸台12连接的三个柔性支撑单元11，参见附图4和附图5，所述柔性支撑单元11包括粘接框24、支撑臂和支撑座；所述粘接框24两端通过两个支撑臂与所述支撑座连接；所述支撑臂所述粘接框24四个内角处均加工有柔性槽13，相邻两个柔性槽13之间形成豁口14，粘接框24端面形成四个粘接面15，所述四个粘接面15绕豁口14具有相对于粘接框24的柔度；所述粘接框24通过四个粘接面15与所述镜体凸台12固定连接。
所述支撑臂为一体的柔性簧片结构，包括簧片Ⅰ16、簧片Ⅱ17、簧片Ⅲ18和簧片Ⅳ19，所述簧片Ⅰ16和簧片Ⅳ19共面，所述簧片Ⅱ17和簧片Ⅲ18共面，所述簧片Ⅰ16和簧片Ⅳ19与所述簧片Ⅱ17和簧片Ⅲ18相互正交。
所述支撑座包括安装凸台20、销钉孔21、螺栓通孔22和连接杆23；所述每个支撑臂的簧片Ⅳ19分别与两个安装凸台20固定连接，所述两个安装凸台20通过连接杆23连接，所述每个安装凸台20四个角处设置有螺栓通孔22，所 述安装凸台20上还设置有销钉孔21。
所述镜体凸台12为四边形凸台。
所述柔性支撑单元11为一体式结构。
所述柔性槽13的宽度为1-2mm，所述柔性槽13两端圆角半径r取值范围为4mm≤r≤8mm。
所述柔性支撑单元11的材料的热膨胀系数与所述反射镜镜体10的热膨胀系数一致。
反射镜镜体10的外直径为750mm，边缘厚度为140mm，中心孔直径为160mm。反射镜镜体10所采用的材料为反应烧结凝胶注模SiC材料，镜体背部为半封闭式轻量化结构。在反射镜镜体10的侧面一体式铸造并加工出呈120°均匀布置的三处镜体凸台12尺寸为80mm×80mm×35mm。三处柔性支撑单元11分别对应三处镜体凸台12。每个柔性支撑单元11均是由单块殷钢合金材料加工而成。该铟刚材料的热线胀系数与反射镜镜体10的材料相匹配。在柔性支撑单元11的粘接框24上通过电火花线切割加工出四处呈90°均布的柔性槽13。柔性槽13的宽度为1mm，两端的圆角半径为4mm。每相邻的两处圆角之间形成一处柔性铰链——豁口14，使得粘接面15相对粘接框24具有了一定的柔度。这样当粘接面15与镜体凸台12之间的粘接剂发生特性变化时可以通过豁口14的变形来吸收应变能，减小镜体中的应变。同时也减小了镜体凸台12和粘接面15由于加工、装配误差所产生的应力对镜体的影响。在柔性支撑单元11的每根支撑臂上加工有四处柔性铰链——簧片Ⅰ16、簧片Ⅱ17、簧片Ⅲ18和簧片Ⅳ19。每处簧片的长度为25mm，厚度为3mm，宽度为20mm，具有一个方向的转动柔度。在簧片的两端设计有半径为5mm的圆角以减小应力集中。每处安装凸台20上加工出四处直径为5.5mm的通孔，用于穿过M5的螺钉与主承力结构机械接口进行连接。同时每处安装凸台20上还要加工出一处Ф2mm的销钉底孔，用于与主承力结构机械接口配打销钉。一体加工出的连接杆23保证了柔性支撑单元11的整体结构刚度，使得两处安装凸台20的安装面可以整体修研平面度。
在连接柔性支撑单元11与反射镜镜体10之前，需要彻底清洗柔性支撑单元11与镜体凸台12的外表面，把光学环氧胶涂于镜体凸台12的四处侧面，使用 三坐标测量机与精密六维调整台控制粘接过程中反射镜镜体10与柔性支撑单元11的相对位置关系，进行粘接固化。固化稳定后，将粘接有三处柔性支撑单元11的反射镜镜体10安装于空间光学遥感器的主承力结构，进行整机装调。安装凸台20总计六处，利用总计二十四处的螺栓通孔22，将柔性支撑结构通过M5×20mm内六角圆柱头钛合金螺钉安装于主承力结构的机械接口上。最后通过安装凸台20上的总计六处销钉孔21与主承力机构的机械接口配打Ф3mm的圆锥销实现圆形反射镜的定位与安装。在所有螺钉与销钉端部涂抹室温固化硅橡胶GD-414进行防松处理。
Claims (7)
1.一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构，其特征在于，包括：
均匀加工在反射镜镜体(10)侧面圆周上的三个镜体凸台(12)；
分别与所述三个镜体凸台(12)连接的三个柔性支撑单元(11)，所述柔性支撑单元(11)包括粘接框(24)、支撑臂和支撑座；所述粘接框(24)两端通过两个支撑臂与所述支撑座连接；所述支撑臂所述粘接框(24)四个内角处均加工有柔性槽(13)，相邻两个柔性槽(13)之间形成豁口(14)，粘接框(24)端面形成四个粘接面(15)，所述四个粘接面(15)绕豁口(14)具有相对于粘接框(24)的柔度；所述粘接框(24)通过四个粘接面(15)与所述镜体凸台(12)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构，其特征在于，所述支撑臂为一体的柔性簧片结构，包括簧片Ⅰ(16)、簧片Ⅱ(17)、簧片Ⅲ(18)和簧片Ⅳ(19)，所述簧片Ⅰ(16)和簧片Ⅳ(19)共面，所述簧片Ⅱ(17)和簧片Ⅲ(18)共面，所述簧片Ⅰ(16)和簧片Ⅳ(19)与所述簧片Ⅱ(17)和簧片Ⅲ(18)相互正交。
3.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构，其特征在于，所述支撑座包括安装凸台(20)、销钉孔(21)、螺栓通孔(22)和连接杆(23)；所述每个支撑臂的簧片Ⅳ(19)分别与两个安装凸台(20)固定连接，所述两个安装凸台(20)通过连接杆(23)连接，所述每个安装凸台(20)四个角处设置有螺栓通孔(22)，所述安装凸台(20)上还设置有销钉孔(21)。
4.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构，其特征在于，所述镜体凸台(12)为四边形凸台。
5.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性支撑单元(11)为一体式结构。
6.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性槽(13)的宽度为1-2mm，所述柔性槽(13)两端圆角半径r取值范围为4mm≤r≤8mm。
7.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感器圆形反射镜的侧面柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性支撑单元(11)的材料的热膨胀系数与所述反射镜镜体(10)的热膨胀系数一致。
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