CN106291864B - 反射镜支撑结构，反射镜组件以及光学遥感相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射镜支撑结构，反射镜组件以及光学遥感相机。本发明的反射镜支撑结构包括底座，柔性臂，定位面以及外接口。所述柔性臂为多个并按轴对称方式均匀布置于所述底座上。所述定位面设置在所述底座上。所述外接口设置在所述底座上。本发明还公开了一种包括所述反射镜支撑结构的反射镜组件以及光学遥感相机。

Description

反射镜支撑结构，反射镜组件以及光学遥感相机

技术领域

本发明涉及航空光学遥感相机领域，特别涉及一种反射镜支撑结构，反射镜组件以及光学遥感相机。

背景技术

在航空工作环境下，光学遥感相机所处的热环境会随季节、工作地点、飞行高度、天气状况等因素而发生大幅度变化。环境温度波动会使相机光学元件的光学面型恶化，从而导致系统工作性能的下降。为确保系统工作性能，航空光学遥感相机一般会采取主动热控措施。反射镜是航空光学遥感相机的核心光学元件之一，其温度适应能力对相机的工作性能和热控成本有着重要影响。反射镜的温度适应能力强，不仅可增加系统的鲁棒性，而且会降低热控难度和热控成本；反之则增加系统对环境温度变化的敏感性，从而会增加热控难度和热控成本。

常用的航空光学反射镜结构支撑方式包括背部三点支撑和中心支撑。背部三点支撑通常是在反射镜的背部均匀布置三个支撑孔，在支撑孔处通过胶粘方式镶嵌金属套作为机械接口，然后在三个金属套处通过柔性部件将反射镜与支撑背板连接起来，支撑背板通过螺钉与相机机身相连。其主要缺点是：

1)机械部件加工精度要求高，装配过程复杂；

2)温度适应能力和支撑刚度对柔性部件的刚度提出了相反的要求，设计时需要综合权衡温度适应能力和支撑刚度这一对矛盾，从而使得这种支撑方式仅能适应较小的温度变化范围。

中心支撑通常是在反射镜背部加工一支撑孔，将轴对称结构的支撑套通过胶粘方式与反射镜相连，然后将支撑套通过螺钉与相机机身紧固联接。其主要缺点是：

反射镜的光学面型对螺钉拧紧力矩变化比较敏感，反射镜组件与相机机身紧固联接时，各螺钉的拧紧力矩难以控制。

综上所述，要求航空光学反射镜组件设计既保证支撑及连接的刚度和强度，又能适应较大的温度变化范围。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种反射镜支撑结构，所述反射镜支撑结构包括：底座，柔性臂，定位面以及外接口。所述柔性臂为多个并按轴对称方式均匀布置于所述底座上。所述定位面设置在所述底座上。所述外接口设置在所述底座上。

一些实施例中，所述柔性臂与所述底座为一体化结构。

一些实施例中，所述底座为板式底座，所述柔性臂为细长状薄壁梁式结构。

另一方面，本发明提供一种反射镜组件，所述反射镜组件包括如前所述的反射镜支撑结构，以及与所述反射镜支撑结构连接的反射镜，所述反射镜通过所述定位面与所述底座进行轴向定位，并通过胶粘方式与设置于所述底座上的柔性臂相连。

一些实施例中，所述反射镜的材料包括熔石英、微晶和ULE。

一些实施例中，所述反射镜支撑结构的材料为铁镍合金。

再一方面，本发明提供一种光学遥感相机，包括机身以及如前所述的反射镜组件，所述反射镜组件与机身之间通过无扭矩连接机构进行紧固联接，所述无扭矩连接机构一端设置在所述底座的接口中，另一端设置在所述机身接口中。

一些实施例中，所述机身上设置有机身柔性臂和机身接口，所述机身接口位置与所述底座上的接口位置对应。

一些实施例中，所述机身柔性臂为弧形悬臂式结构，且与所述机身一体化设置。

一些实施例中，所述无扭矩连接机构包括：膨胀定位套，所述膨胀定位套可膨胀变形并设于所述底座的接口中；弹性拉杆，所述弹性拉杆镶嵌于所述膨胀定位套的内部；以及锁紧部件，所述锁紧部件与所述弹性拉杆相连，并可使所述弹性拉杆相对所述膨胀定位套沿轴向运动至指定位置使所述膨胀定位套发生膨胀变形并锁止所述弹性拉杆。

一些实施例中，所述膨胀定位套包括：可发生膨胀形变的膨胀段，所述膨胀段包括多个沿轴向均匀排布的弹片，且所述弹片为上薄下厚的结构以使所述膨胀段的内表面形成锥面；以及承载段，所述承载段与所述膨胀段相连，所述承载段形成为中空的凸台。

一些实施例中，所述弹性拉杆包括：圆锥段，所述圆锥段与所述膨胀段配合，且所述圆锥段设置为上大下小的圆台形；导向段，所述导向段设置为圆柱体，且所述导向段上设置有导向卡槽；以及弹性段，所述弹性段设置于所述圆锥段与所述导向段之间并连接所述圆锥段与所述导向段。

一些实施例中，所述锁紧部件包括：锁紧拉环，所述锁紧拉环为圆环形状并套设在所述弹性拉杆上；卡销，所述卡销设置在所述锁紧拉环上并部分伸入锁紧拉环的内孔，与所述导向卡槽配合；销轴；防脱螺钉，所述防脱螺钉固定设置在所述弹性拉杆上；以及锁紧把手，所述锁紧把手通过所述销轴铰接所述锁紧拉环以及所述弹性拉杆，所述锁紧把手为凸轮结构，且一端抵顶所述膨胀定位套的承载段的下端面，一端抵顶所述防脱螺钉。

一些实施例中，所述导向卡槽包括：圆环段，所述圆环段设置在所述导向段的周向上；以及竖直段，所述竖直段设置在所述导向段的轴向上，一端与所述圆环段相连另一端延伸至所述导向段的下端面。

本发明的有益效果在于：所提出的反射镜支撑结构充分发挥了所设置的柔性臂的各向异性特点，不仅实现了反射镜组件的宽温度变化适应能力，而且有效提高了结构支撑刚度，且装配简单。所述学遥感相机采用了无扭矩连接机构，可同时实现反射镜组件与机身的高精度定位和无扭矩连接，从而可使装配环节对反射镜光学面型的影响得以有效控制。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的反射镜支撑结构示意图；

图2为根据本发明另一个实施例的反射镜支撑结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的反射镜组件结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的光学遥感相机结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的光学遥感相机上机身结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的无扭矩连接机构结构示意图；

图7为根据本发明一个实施例的膨胀定位套结构示意图；

图8为根据本发明一个实施例的弹性拉杆结构示意图；

图9为图8中D-D方向的剖面视图；

图10为根据本发明一个实施例的锁紧把手结构示意图；以及

图11为根据本发明一个实施例的无扭矩连接机构的锁紧原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

在均匀温度载荷的作用下，反射镜光学表面的热变形总量是由自由热变形分量(膨胀/收缩)和温致机械载荷所引起的弯曲弹性变形分量迭加而成。自由热变形使反射镜光学表面的曲率半径等比例缩小或放大，温致机械载荷则会使反射镜的光学表面发生弹性弯曲变形。由于自由热变形分量对系统的影响容易在使用过程中进行校正，而温致机械载荷弯曲变形分量对系统的影响难以校正。因此，单位均匀温度变化所引起的光学表面温致机械载荷弯曲变形的大小是衡量反射镜组件温度适应能力的重要指标。单位温度变化所引起的光学表面温致机械载荷弯曲变形越小，光学表面热变形的面型误差越小，温度适应能力则好；反之则反射镜组件的温度适应能力则差。

反射镜的温致机械载荷弯曲变形分量Δr_B，与作用于反射镜上的温致机械载荷以及反射镜抗弯刚度之间的关系如下式所示，

其中，F_T为温致机械载荷，K_M为反射镜的抗弯刚度。温致机械载荷F_T取决于反射镜与支撑结构以及支撑结构与机身之间的线膨胀系数差，以及各级机械连接环节的连接刚度。反射镜的抗弯刚度K_M取决于反射镜的镜坯材料和几何尺寸。提升反射镜组件的温度变化适应能力有两条重要途径：1)降低作用于反射镜上的温致机械载荷；2)增加反射镜的抗弯刚度。

作用于反射镜上的温致机械载荷包括直接温致机械载荷和间接温致机械载荷两部分。直接温致机械载荷为反射镜与支撑结构线胀系数差所造成的温致机械载荷，该温致机械载荷直接作用于反射镜；间接温致机械载荷为支撑结构与机身线胀系数差所造成的温致机械载荷，间接温致机械载荷经反射镜支撑结构传递后仅有部分作用于反射镜上。实际作用于反射镜上的温致机械载荷F_T可按下式进行计算，

其中，F_C-M和F_P-C分别为直接温致机械载荷和间接温致机械载荷；β为间接温致机械载荷传递因子；α_M、α_C和α_P分别为反射镜、支撑结构和机身的线膨胀系数；d_C为反射镜与支撑结构之间的接口分布圆直径；d_P为反射镜支撑结构与机身之间的接口分布圆直径；K_f1和K_f2分别为反射镜与反射镜支撑结构之间的连接刚度(一级柔性环节)，以及反射镜支撑结构与机身之间的连接刚度(二级柔性环节)；δ₁和δ₂分别为反射镜与反射镜支撑结构以及反射镜支撑结构与机身之间的接口温致错位量；ΔT为温度变化量。

为降低作用于反射镜上的温致机械载荷F_T，有三条技术途径可循：Ⅰ)通过减小相邻部件的线膨胀系数差，来降低直接温致机械载荷F_C-M和间接温致机械载荷F_P-C；Ⅱ)通过在反射镜与反射镜支撑结构以及反射镜支撑结构与机身之间增设柔性环节，来降低接口连接刚度系数K_f1和K_f2，从而达到降低直接温致机械载荷F_C-M和间接温致机械载荷F_P-C的目的；Ⅲ)通过间接温致机械载荷F_P-C在反射镜支撑结构上的传力路径设计，来减小间接温致机械载荷传递因子β。

除了降低作用于反射镜的温致机械载荷，提高反射镜抗弯刚度K_M是实现反射镜宽温度变化环境适应性的另一重要技术层面。反射镜抗弯刚度与镜坯材料和结构尺寸的关系如下式所示，

其中E_M为反射镜结构材料的弹性模量；t_M为反射镜的厚度；D_O为反射镜的口径。从式中可看出，模量E_M大的材料有利于提升反射镜的抗弯刚度。由于反射镜材料的比刚度E/ρ(弹性模量与密度的比值)决定了反射镜的结构轻量化潜力，因此，在满足适用性要求的前提下，尽可能选择比刚度E/ρ大的反射镜结构材料。对于具体应用而言，通光尺寸决定了反射镜的口径D_O，因此，厚度t_M成为影响反射镜抗弯刚度的重要参变量。

除了温度适应能力之外，支撑刚度也是反射镜结构支撑设计的重要衡量指标，常用反射镜组件的固有频率来评价。反射镜的支撑刚度与反射镜组件的重量、柔性支撑的刚度有关，因此，反射镜的温度适应设计可视为如下所示的多元函数优化问题。

其中，t_M,Δα,K_f,d_S,β分别代表着反射镜的厚度、线膨胀系数匹配程度、接口刚度、支撑位置以及间接温致机械载荷传递率等设计参数，接口刚度参变量K_f受约束于反射镜组件的固有频率，同时又决定了反射镜所能承受的温度变化范围。

基于上述分析，可从以下几个方面来实现所述反射镜组件的宽温度变化适应能力：

a)低膨胀、高比刚度反射镜材料选择

通过选择低膨胀系数的反射镜材料，可减小反射镜热变形中的自由变形分量Δr_f；通过选择高比刚度材料，不仅有利于降低反射镜的结构质量，而且有利于提升反射镜的抗弯刚度，从而可有利于减小反射镜热变形中的温致机械载荷弯曲变形分量Δr_B。可用于航空光学反射镜的结构材料包括微晶、超低膨胀玻璃(ULE)、熔石英、碳化硅(SiC)等非金属材料，以及铝、铍等金属材料。熔石英、微晶和ULE的线膨胀系数较其余反射镜材料小1～2个数量级，是实现反射镜宽温度变化适应能力的优良选择。

b)反射镜支撑结构设计

为实现反射镜的宽温度变化适应能力，可在反射镜背部设置圆形的沉孔或凸台，然后将多个梁式柔性臂按轴对称方式均匀布置而形成的反射镜支撑结构以胶粘方式嵌于如上所述的沉孔内或套在凸台外侧，然后在该反射镜支撑结构上按轴对称方式均匀布置与机身的机械接口。这种支撑形式可充分发挥所述的各柔性臂径向柔度对反射镜温度适应能力的贡献，以及多个柔性臂整体刚度上的优势对支撑刚度的贡献。

c)反射镜参数化设计及优化

反射镜的口径D_O取决于通光口径，属于常量。反射镜设计过程中，参数变量包括厚度t_M、支撑环直径d_C和支撑深度h_C，厚度t_M决定了式(1)和式(3)中所示的反射镜抗弯刚度，支撑环直径d_C和支撑深度h_C共同决定了式(4)中所示的支撑位置参数d_S。厚度t_M可按照所选择反射镜结构材料的比刚度值，选择一对应的径厚比值所对应的厚度值，并对厚度t_M预留少量的裕量。然后利用拓扑优化手段对支撑环直径d_C和支撑深度h_C进行优化。

d)反射镜支撑结构材料选择及设计

反射镜支撑结构与反射镜之间可通过胶粘方式连接。按照线膨胀系数匹配性原则(线膨胀系数差Δα最小化)，对于由熔石英、微晶、ULE等近乎零膨胀或SiC等小膨胀材料制成的反射镜，反射镜支撑结构选择殷钢(一种线膨胀系数可定制化设计的铁镍合金)；对于K9玻璃，反射镜支撑结构选择钛合金。反射镜与反射镜支撑结构之间的柔性环节由多个柔性臂按照轴对称方式均匀布置，并且柔性臂与反射镜支撑结构采取一体化方式设计。柔性臂的分布圆直径按照下式设计，

D_fO＝d_c-2t_bond(反射镜支撑孔) (5)

D_fI＝d_c+2t_bond(反射镜支撑凸台) (6)

其中，d_c为反射镜上的支撑环直径；t_bond为胶层厚度；D_fO和D_fI分别为反射镜背部设置支撑孔和支撑凸台两种情况下柔性臂分布圆直径。柔性臂数量按大于3的数量均匀排布，柔性臂与反射镜之间的粘接区域面积需要满足承载反射镜所需的粘接强度需求，柔性臂厚度t_f作为反射镜与反射镜支撑结构之间接口刚度K_f1的设计变量。

e)反射镜支撑结构与机身之间的连接刚度设计

因为反射镜支撑结构与机身之间所产生的间接性温致机械载荷F_C-P会有一部分最终作用于反射镜上，从而使反射镜发生间接性温致机械载荷弯曲变形。考虑到整机质量、机械加工性以及成本等因素，机身与反射镜支撑结构之间的线膨胀系数差未必能做到极微小量。因此，通过反射镜支撑结构与机身之间的连接刚度K_f2的设计，来降低间接性温致机械载荷F_C-P的总量。这一环节可根据所需要适应的温度变化范围，以及已有组件的温度适应能力，作为一个可选环节。假若反射镜与反射镜支撑结构之间的线膨胀系数匹配程度和柔性环节的刚度，已满足所提出的温度适应范围要求，机身与反射镜支撑结构之间可以不设置柔性环节；反之则需要考虑机身与反射镜支撑结构之间的柔性环节。

f)传力路径设计及优化

对于反射镜支撑结构而言，通过传力路径设计可使反射镜支撑与机身之间所产生的间接性温致机械载荷F_C-P的绝大部分在反射镜支撑结构内部相互抵消，可大大减小如式(2)所示的传递因子β，从而达到降低实际作用于反射镜上的间接性温致机械载荷的目的。设计反射镜支撑结构时，连接轴对称方式排布的多个柔性臂的底座应该具有良好的刚度；反射镜支撑结构与机身之间的接口按照轴对称方式均匀布置，反射镜支撑结构外部接口到轴对称之间的传力路径上的局部刚度要适当加强。反射镜支撑结构与机身之间的间接性温致机械载荷，主要使反射镜支撑结构的底座部分发生沿着径向的拉伸/压缩变形，变形量极为微小，此外，这些间接性温致机械载荷会最终汇聚在反射镜支撑结构的对称轴上且相互抵消。从而可使式(2)所示的传递因子β趋近于零。

对于反射镜镜坯而言，传力路径的合理化设计有利于提高反射镜的径向抗拉/抗压刚度，降低镜面的温致机械载荷弯曲变形。对于反射镜背部为支撑孔的配置形式，反射镜上温致机械载荷的传力路径是一环带形区域，实施要点是环带区域需要有足够的宽度来保证该区域的抗拉/抗压能力；对于反射镜背部为支撑凸台的配置形式，温致机械载荷依次经过反射镜支撑结构的柔性臂、胶粘区域在支撑凸台内部汇聚，假若支撑凸台区域比较大，需要进行轻量化时。从每个胶粘区到凸台对称轴之间的区域尽可能保留材料，其余区域为可轻量化区域。

g)“无扭矩”连接

传统的螺钉紧固联接方式会使反射镜支撑结构与机身之间产生装配力矩，反射镜光学表面面型造对装配力矩较为敏感。本发明提出了一种可实现反射镜支撑结构与机身之间无扭矩连接机构，该连接机构利用膨胀销原理，可实现高精度定位、无扭矩连接与准确预紧功能于一体。该连接机构由膨胀定位套、弹性拉杆和锁紧部件构成。膨胀定位套的一端为膨胀端，另一端为定位端；弹性拉杆位于膨胀定位套内部，可相对于膨胀定位套作轴向运动，使膨胀定位套的膨胀端胀大；锁紧部件与弹性拉杆的一端相连，当锁紧部件由“放松”状态切换为“预紧”状态时，可使弹性拉杆相对于膨胀定位套做固定量的轴向运动。假设弹性拉杆的轴向刚度为k_T，弹性拉杆相对于膨胀定位套的固定轴向运动量为u_a，膨胀定位套胀大所需的弹性拉杆的轴向窜动量为u_a-0，则弹性拉杆所产生的轴向预紧力为T＝k_T(u_a-u_a-0)。

结合上述的分析，本发明提出了一种可实现反射镜宽温度变化适应能力的反射镜支撑结构。

如图1和图2所示，所述反射镜支撑结构2包括：底座22，柔性臂21，定位面23以及外接口24。所述柔性臂21为多个并按轴对称方式均匀布置于所述底座22上。所述定位面23与所述外接口24设置在所述底座22上。所述柔性臂21与所述底座22为一体化结构。所述底座22为板式结构，所述柔性臂21为细长状薄壁梁式结构。所述细长状薄壁梁式结构构成了该反射镜组件支撑系统的第一级柔性环节。

如图1所示的实施例中，所述柔性臂21的外侧表面共柱面。

如图2所示的实施例中，所述柔性臂21的内侧表面共柱面。

一些实施例中，所述支撑结构2整体呈轴对称结构。

一些实施例中，所述外接口24为锥形孔。

所述反射镜支撑结构充分发挥了所设置的柔性臂的各向异性特点，不仅实现了反射镜组件的宽温度变化适应能力，而且有效提高了结构支撑刚度。

本发明还提出了一种可实现反射镜宽温度变化适应能力的反射镜组件100。

如图3所示，所述反射镜组件100包括如前所述的反射镜支撑结构2，以及与所述反射镜支撑结构2连接的反射镜1，所述反射镜通过所述定位面23与所述反射镜支撑结构2进行轴向定位，并通过胶粘方式与所述反射镜支撑结构2的柔性臂21相连。

减小反射镜与支撑结构之间的线膨胀系数差，是降低反射镜与支撑结构之间的直接温致机械载荷，提升反射镜组件温度适应范围的重要技术途径。低膨胀系数的镜坯材料是实现航空光学反射镜宽温度变化适应能力的重要前提之一。一些实施例中，所述反射镜1的材料可选择熔石英、微晶和ULE。所提出的熔石英、微晶和ULE是线膨胀系数较低的镜坯材料，支撑结构优先选择线膨胀系数可定制的低膨胀铁镍合金，但并不限定与某一种低膨胀系数材料。高比刚度的镜坯材料是实现反射镜结构轻量化、高刚度设计的重要前提之一，进而会影响到反射镜抵抗接口热应力的能力。对于同样的镜坯刚度指标和反射镜接口热应力，通过选择高比刚度的反射镜材料可有效减小反射镜结构尺寸。同理，对于同样的反射镜结构，通过选择高比刚度的反射镜材料可有效提升反射镜抵抗接口热应力的能力。

一些实施例中，所述反射镜支撑结构2的材料优选为殷钢。

一些实施例中，所述反射镜支撑结构2与所述反射镜1通过胶粘方式连接。

如图3所示，一些实施例中，反射镜1背部设置有圆形的沉孔，所述反射镜支撑结构2的柔性臂21设置于所述沉孔中。

所述反射镜1与反射镜支撑结构2，在所述反射镜支撑结构2的柔性臂21的外侧表面通过胶粘方式连接，形成所述的反射镜组件100。在装配粘接过程中，设置于所述反射镜1背部的圆形沉孔，与所述反射镜支撑结构2的柔性臂21的外侧面所形成的圆柱面，实现了所述反射镜1与反射镜支撑结构2的径向定位关系；所述反射镜1的背部环状平面与设置于所述反射镜支撑结构2上的定位面23，实现了所述反射镜1与反射镜支撑结构2的轴向定位关系。

一些实施例中，反射镜1背部设置有圆形的凸台，所述反射镜支撑结构2的柔性臂21套设于所述凸台的外侧。

本发明还提供了一种光学遥感相机1000，如图4和图5所示，所述光学遥感相机1000包括机身4以及如前所述的反射镜组件100，所述反射镜组件100与机身4之间通过无扭矩连接机构3进行紧固联接，所述无扭矩连接机构3一端设置在所述底座22的接口24中，另一端设置在所述机身接口42中。

如图5所示的实施例中，为降低作用于所述反射镜组件上的间接温致机械载荷F_P-C，在机身4上设置了二级柔性环节，主要包括机身柔性臂41和机身接口42。机身柔性臂41为弧形悬臂式结构，实际应用时，可根据机身4与反射镜支撑结构2的线膨胀系数差对柔性臂41进行参数化设计。

所述机身4上设置有机身柔性臂41和机身接口42，所述机身接口42位置与所述底座22上的接口24位置对应。

所述的反射镜组件100设置于所述反射镜支撑结构2上的外接口24处，通过无扭矩连接机构3与设置于机身4上的机身接口42相连接。反射镜支撑结构2上的外接口24是一具有小锥度的锥形孔，当无扭矩连接机构3处于锁紧状态时，无扭矩连接机构3会膨胀形变，对设置于反射镜支撑结构2上的锥形外接口24同时施加径向和轴向压力。因而，会对所述的反射镜组件100和机身4起到紧固联接作用。

一些实施例中，所述机身柔性臂41为弧形悬臂式结构，且与所述机身一体化设置。所述弧形柔性臂构成了该反射镜组件支撑系统的第二级柔性环节。

如图6至图11所示，一些实施例中，所述无扭矩连接机构3包括：膨胀定位套31，弹性拉杆32，以及锁紧部件。所述膨胀定位套31可膨胀变形并设于所述底座22的接口24中；所述弹性拉杆32镶嵌于所述膨胀定位套31的内部；所述锁紧部件与所述弹性拉杆32相连，并可使所述弹性拉杆32相对所述膨胀定位套31沿轴向运动至指定位置使所述膨胀定位套31发生膨胀变形并锁止所述弹性拉杆32。

如图7所示的实施例中，所述膨胀定位套31包括：可发生膨胀形变的膨胀段311，以及承载段312。所述膨胀段311包括多个沿轴向均匀排布的弹片3111，且所述弹片为上薄下厚的结构以使所述膨胀段311的内表面形成锥面317。所述承载段312与所述膨胀段311相连，所述承载段312形成为中空的凸台。

如图8所示，所述弹性拉杆32包括：圆锥段321，导向段323，以及弹性段322。所述圆锥段321与所述膨胀段311配合，且所述圆锥段321设置为上大下小的圆台形；所述导向段323设置为圆柱体。所述导向段323上设置有导向卡槽324；所述弹性段322设置与所述圆锥段321与所述导向段323之间并连接所述圆锥段321与所述导向段323。

所述弹性拉杆32镶嵌于所述膨胀定位套31的内部。所述弹性拉杆32的导向段323与所述膨胀定位套31的内壁316形成可使弹性拉杆32相对于膨胀定位套31仅作轴向运动的圆柱副；使用过程中，所述弹性拉杆32的圆锥段321与所述膨胀定位套31的内锥面317相互贴合，可使作用于弹性拉杆32的轴向拉力经膨胀定位套31的内锥面317传递至膨胀段311，并使膨胀段311发生胀大变形。

如图6所示，所述锁紧部件包括：锁紧拉环331，卡销332，销轴334，防脱螺钉34以及锁紧把手333。所述锁紧拉环331为圆环形状并套设在所述弹性拉杆32上；所述卡销332设置在所述锁紧拉环331上，并部分伸入锁紧拉环331的内孔与所述导向卡槽324配合；所述防脱螺钉34固定设置在所述弹性拉杆32上；所述锁紧把手333通过所述销轴324铰接所述锁紧拉环331以及所述弹性拉杆32，所述锁紧把手333为凸轮结构，且一端抵顶所述膨胀定位套31的承载段312的下端面，一端抵顶所述防脱螺钉34。其中R_Unlock和R_Lock分别为锁紧把手333在“放松”和“锁紧”状态下凸轮轮廓到锁紧把手333旋转中心的旋转半径，R_Max为锁紧把手333的凸轮轮廓到锁紧把手333旋转中心的最大旋转半径，此三个结构参数的大小关系是R_Unlock<R_Lock<R_Max。当所述“无扭矩”连接结构3由“放松”状态切换为“锁紧”状态时，锁紧把手333需要绕其旋转中心旋转90°。

一些实施例中，所述导向卡槽324包括：圆环段3241，以及竖直段3242。所述圆环段3241设置在所述导向段323的周向上；所述竖直段3242设置在所述导向段323的轴向上，一端与所述圆环段3241相连另一端延伸至所述导向段323的下端面。

使用当所述无扭矩连接结构3对反射镜组件和机身4进行紧固联接的步骤如下：

1)将所述的弹性拉杆32插入所述的膨胀定位套31内；

2)将膨胀定位套31和弹性拉杆32同时插入两个被联接对象的接口内；

3)将锁紧部件33的卡销332与弹性拉杆32上的导向槽324对准。将锁紧部件33整体插入弹性拉杆32并旋转一定角度，使得卡销332与所述的弹性拉杆32的导向卡槽324靠牢；

4)将所述锁紧部件33的锁紧把手333从“放松”状态切换到“锁紧”状态；

5)将防脱螺钉34旋入所述弹性拉杆32的防脱螺钉孔325内部，以防止联接失效。

为说明本发明所述的一种“无扭矩”连接结机构3机构在“锁紧”状态下的工作原理，参见附图11。所述锁紧部件33的锁紧把手333由“放松”位置旋转90°后会切换到“锁紧”位置，锁紧部件33会迫使弹性拉杆32的弹性段322和导向段323共同产生固定的轴向运动量如下式所示：

u_a＝R_Lock-R_Unlock(参见附图10) (7)

假设为使膨胀定位套31的膨胀段311发生定量的径向变形所需的弹性拉杆32的轴向刚体位移量为u_a-0，则弹性拉杆32所产生的轴向预紧力T的表达式如下所示：

T＝k_T·(u_a-u_a-0)(参见附图11) (8)

式中k_T为弹性拉杆32的轴向刚度，此参数主要取决于所述弹性拉杆32弹性段322的结构特征参数。

参见附图11，弹性拉杆32的轴向预紧力T依次经过锁紧组件33的卡销332、锁紧拉环331、销轴334、锁紧把手333，以及膨胀定位套31的下端面314上。迫使膨胀定位套31与机身4相贴合。弹性拉杆32的轴向预紧力T同时会使膨胀定位套31的膨胀段311发生胀大，并与反射镜支撑结构2的外接口24的锥形段相贴合，从而使得反射镜支撑结构2产生沿轴向的预紧作用。图11所示的F_P-C和F_C-P为反射镜支撑结构2和机身4接触界面上的轴向预紧力对，反射镜支撑结构2和机身4接触界面上的横向剪切力由所述膨胀定位套31的承载段312承担。该联接结构可实现每个联接点处的精确轴向预紧，且不会产生联接力矩。

本发明系统分析了反射镜组件温度适应能力的内在影响因素和作用机理，提出了一种可实现宽温度变化适应能力的反射镜支撑结构，反射镜组件，以及包括此反射镜组件的光学遥感相机，本发明具有如下有益效果：

本发明所提出的反射镜支撑结构自身包含有多个具有良好的径向柔度的柔性臂，可以满足反射镜组件的宽温度变化适应性需求。同时由于各柔性臂的自由端通过胶粘方式连接于反射镜上，反射镜对反射镜支撑结构起到了加固作用，使得反射镜具有良好的轴向和横向支撑刚度。可满足反射镜的支撑刚度需求。

本发明所提出的无扭矩连接机构，可同时实现反射镜组件与机身的高精度定位、无扭矩连接和轴向精确预紧，使装配环节对反射镜光学面型的影响得以有效控制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种反射镜支撑结构，其特征在于，包括：

底座；

柔性臂，所述柔性臂为梁式结构，所述柔性臂为多个并按轴对称方式均匀布置于所述底座上；

定位面，所述定位面设置在所述底座上；以及

外接口，所述外接口按轴对称方式均匀设置在所述底座上；

所述的反射镜背部设置圆形的沉孔或凸台，所述反射镜支撑结构的柔性臂通过胶粘方式嵌于所述的沉孔内或者套设在所述的凸台外。

2.如权利要求1所述的反射镜支撑结构，其特征在于，所述柔性臂与所述底座为一体化结构。

3.如权利要求1所述的反射镜支撑结构，其特征在于，所述底座为板式底座，所述柔性臂为细长状薄壁梁式结构。

4.一种反射镜组件，其特征在于，所述反射镜组件包括如权利要求1至3任一项所述的反射镜支撑结构，以及与所述反射镜支撑结构连接的反射镜，所述反射镜通过所述定位面与所述底座进行轴向定位，并通过胶粘方式与所述底座的柔性臂相连。

5.如权利要求4所述的反射镜组件，其特征在于，所述反射镜的材料包括熔石英、微晶和ULE。

6.如权利要求4所述的反射镜组件，其特征在于，所述反射镜支撑结构的材料为铁镍合金。

7.一种光学遥感相机，其特征在于，包括机身以及如权利要求4至6任一项所述的反射镜组件，所述反射镜组件与机身之间通过无扭矩连接机构进行紧固联接，所述无扭矩连接机构一端设置在所述底座的接口中，另一端设置在所述机身接口中；

所述无扭矩连接机构包括：

膨胀定位套，所述膨胀定位套可膨胀变形并设于所述底座的接口中；

弹性拉杆，所述弹性拉杆镶嵌于所述膨胀定位套的内部；以及

锁紧部件，所述锁紧部件与所述弹性拉杆相连，并可使所述弹性拉杆相对所述膨胀定位套沿轴向运动至指定位置使所述膨胀定位套发生膨胀变形并锁止所述弹性拉杆。

8.如权利要求7所述的光学遥感相机，其特征在于，所述机身上设置有机身柔性臂和机身接口，所述机身接口位置与所述底座上的接口位置对应。

9.如权利要求8所述的光学遥感相机，其特征在于，所述机身柔性臂为弧形悬臂式结构，且与所述机身一体化设置。

10.如权利要求9所述的光学遥感相机，其特征在于，所述膨胀定位套包括：

可发生膨胀形变的膨胀段，所述膨胀段包括多个沿轴向均匀排布的弹片，且所述弹片为上薄下厚的结构以使所述膨胀段的内表面形成锥面；以及承载段，所述承载段与所述膨胀段相连，所述承载段形成为中空的凸台。

11.如权利要求10所述的光学遥感相机，其特征在于，所述弹性拉杆包括：

圆锥段，所述圆锥段与所述膨胀段配合，且所述圆锥段设置为上大下小的圆台形；

导向段，所述导向段设置为圆柱体，且所述导向段上设置有导向卡槽；以及弹性段，所述弹性段设置于所述圆锥段与所述导向段之间并连接所述圆锥段与所述导向段。

12.如权利要求11所述的光学遥感相机，其特征在于，所述锁紧部件包括：

锁紧拉环，所述锁紧拉环为圆环形状并套设在所述弹性拉杆上；

卡销，所述卡销设置在所述锁紧拉环上并部分伸入锁紧拉环的内孔，与所述导向卡槽配合；

销轴；

防脱螺钉，所述防脱螺钉固定设置在所述弹性拉杆上；以及

锁紧把手，所述锁紧把手通过所述销轴铰接所述锁紧拉环以及所述弹性拉杆，所述锁紧把手为凸轮结构，且一端抵顶所述膨胀定位套的承载段的下端面，一端抵顶所述防脱螺钉。

13.如权利要求12所述的光学遥感相机，其特征在于，所述导向卡槽包括：圆环段，所述圆环段设置在所述导向段的周向上；以及

竖直段，所述竖直段设置在所述导向段的轴向上，一端与所述圆环段相连另一端延伸至所述导向段的下端面。