CN106291867B - 一种支撑一体化反射镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间相机结构部件，具体涉及一种支撑一体化反射镜，包括由金属材料一体化成型的反射镜面板、支撑板和背板；所述支撑板一侧为反射镜面板，支撑板的另一侧为背板，支撑板包括外框、内框和网状筋；外框位于支撑板的外圆周上，内框位于支撑板的中心，网状筋位于外框和内框之间；外框上设置有多个次镜架安装板和多个柔性支架。本发明解决传统的反射镜与其支撑结构需要单独加工装配使用的技术问题。本发明通过将反射镜与支撑一体化设计，省去了传统反射镜支撑结构，一个零件既为反射镜，又为支撑，减少整个部件重量和零件个数，降低发射成本的同时，提高了一体化结构的刚度。

Description

一种支撑一体化反射镜
技术领域
本发明涉及一种空间相机结构部件，具体涉及一种支撑一体化反射镜。
背景技术
反射镜及其支撑结构在空间遥感相机的各结构部件中占据十分重要的地位，反射镜面形精度的高低直接关系到空间相机成像性能的优劣。传统的反射镜与支撑结构通常采用不同的材料分别加工而成，然后通过胶接、螺接等连接方式装配成型。传统的反射镜结构如图1所示，反射镜1通过中心轴2安装于传统支撑板3上。反射镜1、中心轴2和传统支撑板3为单独加工后组装使用，三者之间需要胶接螺接，装配过程产生的应力会降低反射镜面形精度，当反射镜与支撑结构材料不一致时导致光机热膨胀系数不匹配，温度变化产生的热应力也会降低反射镜面形精度。另外，传统空间相机的反射镜与支撑结构通常需要中心轴、镜座或柔性支撑等支撑结构进行连接，不仅增大了相机重量和材料成本，而且也增加了装调难度和组装时间。
发明内容
为了解决传统的反射镜与其支撑结构需要单独加工装配使用的技术问题，本发明提供一种支撑一体化反射镜。
本发明的技术解决方案是：一种支撑一体化反射镜，其特殊之处在于：包括由金属材料一体化成型的反射镜面板、支撑板和背板；所述支撑板一侧为反射镜面板，支撑板的另一侧为背板；
所述支撑板包括外框、内框和网状筋；外框位于支撑板的外圆周上，内框位于支撑板的中心，网状筋位于外框和内框之间；所述外框上设置有多个次镜架安装板和多个柔性支架，次镜架安装板用于安装次镜架，柔性支架用于连接卫星主体；
所述背板上设置有多个工艺圆孔，工艺圆孔的位置与网状筋形成的网格相对应。
上述柔性支架包括两个三向柔性过渡件和一个端部连接板；
所述三向柔性过渡件包括依次连接的径向柔节一、连接块一、轴向柔节、连接块二和径向柔节二；所述径向柔节一固定安装于所述外框的外侧端面上；所述径向柔节二与端部连接板固定连接；规定三维直角坐标系，以支撑板所在平面作为xy平面，以支撑板轴向作为z轴方向，径向柔节一沿x轴方向弹性形变，径向柔节二沿y轴方向弹性形变，轴向柔节沿z轴方向弹性形变；
所述端部连接板上设置有用于连接卫星主体的安装孔。
上述外框上设置有多个减重孔。
上述次镜架安装板包括与所述外框固定连接的安装基板，安装基板上设置有一个用于定位次镜支架的定位孔和多个用于安装次镜支架的安装孔。
上述次镜架安装板和柔性支架各为三个，在所述外框的外端面上均匀交替设置。
上述网状筋形成的网格为六边形。
上述安装孔上设置有消应力槽。
上述反射镜的中心沿轴向设置有贯通的中心孔。
本发明的优点在于：
(1)重量轻，刚度高。本发明通过将反射镜与支撑一体化设计，省去了传统反射镜支撑结构，一个零件既为反射镜，又为支撑，减少整个部件重量和零件个数，降低发射成本的同时，提高了一体化结构的刚度；支撑板作为本发明的主体结构，增大了反射镜面的刚度，提高了本发明的共振频率，避开了卫星的共振频率，提高了本发明在火箭发射过程中的安全系数。
(2)热稳定性好。本发明反射镜各部位采用同一材料制成(优选铝合金等合金类材料)，通过将反射镜与支撑一体化设计，降低了各部件间热膨胀系数不匹配的影响，避免了光机系统材料不一致带来的热应力对镜面面形精度的不利影响；同时简化了热控设备的设计制造难度，降低了研发成本。
(3)易加工。本发明采用金属材料，可以充分使用现有的车、铣、磨削等工艺快速加工制作基本结构，充分发挥金属材料易于成型的特点，改善传统材料反射镜加工时间长，成本高的缺点。
(4)易装调。本发明反射镜与支撑一体化结构通过三向一体柔性结构与卫星主体连接，三向一体柔性结构较传统两向柔性结构原有的四个自由度增加一个方向平动和一个转动自由度，能够更好的吸收卫星主体各方向引入的应力，避免了额外装调应力的引入，保证反射镜面面形精度，降低了相机的装调难度。
(5)本发明在遮光罩安装孔、内框螺纹孔设置消应力槽，可以减小遮光罩、矫正镜对反射镜面形精度的影响。
(6)本发明采用定位圆柱孔，定位精度高，保证次镜架的位置精度。
附图说明
图1为传统反射镜与其支撑结构示意图；
图2为本发明支撑一体化反射镜的使用状态示意图；
图3为本发明较佳实施例结构的正面视图；
图4为本发明较佳实施例结构的背面视图；
图5为本发明较佳实施例结构的剖面视图；
图6为本发明柔性支架的结构示意图；
图7为本发明次镜架安装板的结构示意图；
图8为本发明与传统反射镜的一阶振型图对比；
图9为本发明与传统反射镜受1G重力时的位移云图对比；
图10为本发明与传统反射镜温升/温降5℃时的位移云图对比。
附图标记说明：1-反射镜，2-中心轴，3-传统支撑板，4-反射镜面板，5-支撑板，6-背板，7-柔性支架，8-次镜架安装板，9-减重孔，10-中心孔，11-工艺圆孔，51-外框，52-内框，53-网状筋，71-三向柔性过渡件，72-端部连接板，711-径向柔节一，712-连接块一，713-轴向柔节，714-连接块二，715-径向柔节二，81-安装基板，82-定位孔。
具体实施方式
参见图2至图4，本发明所提供的反射镜较佳实施例是由金属材料一体化成型，其结构主要包括反射镜面板4、支撑板5和背板6；支撑板5位于反射镜面板4和背板6之间。反射镜的中心沿轴向设置有用于设置矫正镜的中心孔10。
参见图5，支撑板5包括外框51、内框52和网状筋53；外框51位于支撑板的外圆周上，内框52位于支撑板的中心，外框51与内框52通过网状筋53相连，能够保证反射镜具有较高的轻量化率和较高的固有频率。矫正镜通过螺纹孔与内框52相连。外框51上设置有三个呈120°均布的次镜架安装板8和三个呈120°均布的柔性支架7，相邻的次镜架安装板8和柔性支架7呈60°交替设置。外框51朝向反射镜面板4的一侧设置有12个均布的螺纹孔，每个螺纹孔根部有消应力槽，相机遮光罩通过螺纹孔与外框51相连；内框52下端面有6个均布的螺纹孔，每个螺纹孔上均设置有消应力槽。背板6上设置有多个工艺圆孔11，工艺圆孔11的位置与网状筋53形成的网格相对应。
参见图6，柔性支架7包括两个三向柔性过渡件71和一个端部连接板72；三向柔性过渡件71包括依次连接的径向柔节一711、连接块一712、轴向柔节713、连接块二714和径向柔节二715；径向柔节一711固定安装于外框51的外侧端面上；径向柔节二715与端部连接板72固定连接；规定三维直角坐标系，以支撑板所在平面作为xy平面，以支撑板轴向作为z轴方向，径向柔节一711沿x轴方向弹性形变，径向柔节二715沿y轴方向弹性形变，轴向柔节713沿z轴方向弹性形变；端部连接板72上设置有用于连接卫星主体的安装孔。
参见图7，次镜架安装板8包括与外框51固定连接的安装基板81，安装基板81上设置有一个用于定位次镜支架的定位孔82和多个用于安装次镜支架的安装孔。三个定位孔82均布在以反射镜面板4的光轴为圆心的圆周上，保证次镜架的径向定位；同时对安装面进行精加工，保证次镜架轴向定位。
反射镜面板4为满足光学要求的反射面，先用单点金刚石加工，再镀纯铝进行精密抛光处理，使镜面满足可见光要求；半封闭背板6为与反射镜面板4曲率相同的球面，上有54个均布的工艺圆孔11，通过工艺圆孔11对发明内部进行光轴方向铣削，加工出多边形网状筋53，保证发明整体刚度的同时，实现本发明的轻量化。
本发明选用反射镜面板有效口径为260mm，多边形网状筋为六边形，使用6061铝合金材料制作而成的反射镜进行实验测试。比较本发明(图3)与传统结构(图1)的重量和基频(见表1)；分别在反射镜面光轴水平放置，且只受1G重力影响的工况下和温升5℃/温降5℃的工况下分析本发明与传统结构的变形(参见图8-10)，通过有限元方法和Zernike拟合得到两种结构反射镜面的PV值、RMS值(见表2)：
表1
表2
分析结果表明，当反射镜面有效孔径为260mm时，本发明重量比传统结构降低了18.3％，表明本发明在轻量化方面优于传统结构，有利于降低空间相机的发射成本；本发明基频比传统结构提高了20.1％，表明本发明较传统结构具有更高的安全系数，能够承受更恶劣的发射环境；光轴水平放置受1G重力时，本发明镜面PV值比传统结构镜面降低了73.0％，RMS值降低了75.7％，表明本发明镜面刚度优于传统结构，受相同载荷时，本发明具有更高的镜面面形精度；温升5℃或温降5℃时，本发明镜面PV值比传统结构镜面降低了16.4％，RMS值降低了19.5％，表明本发明较传统结构具有更高的热稳定性，环境温度变化相同时，本发明具有更高的镜面面形精度。
以上各项分析结果均表明本发明在轻量化、结构刚度、结构热稳定性和镜面面形精度都优于传统模型。
以上所述的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过实施例，该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

Claims (3)

1.一种支撑一体化反射镜，其特征在于：包括由金属材料一体化成型的反射镜面板、支撑板和背板；所述支撑板一侧为反射镜面板，支撑板的另一侧为背板；
所述支撑板包括外框、内框和网状筋；外框位于支撑板的外圆周上，内框位于支撑板的中心，网状筋位于外框和内框之间；所述外框上设置有多个次镜架安装板和多个柔性支架，次镜架安装板用于安装次镜架，柔性支架用于连接卫星主体；
所述背板上设置有多个工艺圆孔，工艺圆孔的位置与网状筋形成的网格相对应；
所述柔性支架包括两个三向柔性过渡件和一个端部连接板；
所述三向柔性过渡件包括依次连接的径向柔节一、连接块一、轴向柔节、连接块二和径向柔节二；所述径向柔节一固定安装于所述外框的外侧端面上；所述径向柔节二与端部连接板固定连接；规定三维直角坐标系，以支撑板所在平面作为xy平面，以支撑板轴向作为z轴方向，径向柔节一沿x轴方向弹性形变，径向柔节二沿y轴方向弹性形变，轴向柔节沿z轴方向弹性形变；
所述端部连接板上设置有用于连接卫星主体的安装孔；
所述次镜架安装板包括与所述外框固定连接的安装基板，安装基板上设置有一个用于定位次镜支架的定位孔和多个用于安装次镜支架的安装孔；
所述外框上设置有多个减重孔；
所述次镜架安装板和柔性支架各为三个，在所述外框的外端面上均匀交替设置；
所述网状筋形成的网格为六边形网格。
2.根据权利要求1所述的支撑一体化反射镜，其特征在于：所述安装孔上设置有消应力槽。
3.根据权利要求2所述的支撑一体化反射镜，其特征在于：所述反射镜的中心沿轴向设置有贯通的中心孔。
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