CN109683278B - 基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置 - Google Patents
基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置。现有大口径红外望远镜支撑装置不可调节。且存在较大装配应力和残余应力。本发明包括柔性单元、支撑底座和固定单元。柔性单元包括顶部支撑盘、柔性支撑柱和底部支撑盘；柔性支撑柱两端与顶部支撑盘、底部支撑盘的中心位置分别固定。柔性支撑柱包括顶部隔热块、柔性支撑块和底部隔热块。顶部隔热块上开设有顶部阻热孔。沿着顶部隔热块的外端向内端的方向上，顶部阻热孔的孔径逐渐增大。底部隔热块上开设有底部阻热孔。沿着底部隔热块的外端向内端的方向上，底部阻热孔的孔径逐渐增大。本发明通过调节输入电流大小能够改变形状记忆合金收缩量，进而调整大口径反射镜的空间位姿。
Description
技术领域
本发明属于大口径红外望远镜技术领域，具体涉及一种基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展及对地观测要求的不断提高，为了获得高分辨率、宽覆盖的空间分辨能力，红外望远镜的口径不断增加。随着望远镜口径的增大，其聚光能力增强，由此产生的热效应对反射镜面形精度的影响也越来越严重，从而造成红外望远镜的成像质量降低。因此需要望远镜进行冷却处理，由于太阳望远镜整体结构太大，目前主要采用局部冷却控制主反射镜面温度在0.4K～77K内以满足观测需求，但是局部冷却处理会引起主反射镜面与支撑部件之间由于存在温度差而造成底部支撑发生变形，降低反射镜镜面精度和稳定性。
大口径红外望远镜反射镜通常是通过支撑结构形成反射镜组件，然后安装在空间遥感器的主体结构上。影响主镜面形精度的因素除了主反镜镜面的加工误差、热效应外，主镜支撑结构的优劣具有决定性的作用。因此，支撑结构必须具备良好的静态、动态结构刚度，以满足反射镜对支撑稳定性的需求。同时，支撑结构须具备一定的柔性，以增强反射镜的热稳定性和减小装配应力的能力，从而减小重力、外载荷、温度变化以及振动等各种复杂环境因素对反射镜面形精度影响。
在现有技术中，中国科学院光学精密机械与物理研究所开发研制了超大口径光学反射镜多向柔性支撑结构。其结构如图1所示，包括大口径反射镜1、支撑孔25、背部支撑盘27、连接凸台28、锥套29、柔节30。
大口径反射镜1背部120°圆周均布三个支撑孔25，所述支撑孔25的锥度与所述锥套29的锥度相同，每个支撑孔25与一个锥套29配合并通过胶粘结固定，每个锥套29通过螺栓和销钉固定一个柔节30，所述柔节30的上部通过螺栓与大口径反射镜1的背部支撑盘27上的连接凸台28连接。大口径反射镜1背部均匀布置有三个柔节，每个柔节30中具有4个横向沟槽和2个纵向沟槽，空间反射镜的柔性支撑结构一般是在刚性支撑上设置切槽，以引入柔性环节。其存在如下几个方面问题：
(1)一个位置的切槽只能产生一个方向上的柔性，为了在多个方向上具有柔性必须设置多个切槽。而多个切槽容易导致柔性支撑结构在不同方向上的柔性回转中心不同，进而影响反射镜的面形精度。
(2)反射镜的柔性支撑结构一般通过锥套与反射镜连接，增加了反射镜组件的重量和装配应力。而且锥套粘接存在较大的残余粘接应力，容易引起镜面的变形。
(3)柔节与连接平台连接时，光学系统的振动和变形会直接影响反射镜面形精度。
(4)柔节与连接平台装配时，由于三个柔节不共面以及连接平台上的连接孔不共面会产生装配应力，影响反射镜成像精度。
(5)由于反射镜与连接凸台之间存在温度差，热量发生传递而造成底部支撑架由于温度变化而产生变形。
(6)柔性支撑结构由于重力、温度变化、外载荷等各种复杂环境因素影响发生变化，不能实现智能调整结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于梯度式多孔材料的大口径红外望远镜智能支撑装置。
本发明包括柔性单元、支撑底座和固定单元。所述的柔性单元包括顶部支撑盘、柔性支撑柱和底部支撑盘；所述的柔性支撑柱两端与顶部支撑盘、底部支撑盘的中心位置分别固定。顶部支撑盘的侧面上开设有多个导流槽。顶部支撑盘端面上开设有沿顶部支撑盘的周向均布的多个第一消应力槽。
柔性支撑柱包括顶部隔热块、柔性支撑块和底部隔热块。顶部隔热块、底部隔热块的内端与柔性支撑件的两端分别固定。顶部隔热块的侧面上开设有多个顶部阻热孔。沿着顶部隔热块的外端向内端的方向上，顶部阻热孔的孔径逐渐增大。底部隔热块的侧面上开设有多个底部阻热孔。沿着底部隔热块的外端向内端的方向上，底部阻热孔的孔径逐渐增大。柔性支撑件的侧面呈内凹状，包裹有形状记忆合金层。支撑底座上均设置有m个凸台，m≥3。柔性单元共有m个。m个柔性单元内的底部支撑盘与m个凸台分别通过固定单元固定。
进一步的，所述顶部支撑盘、柔性支撑柱及底部支撑盘的中心轴线重合。柔性支撑柱与底部支撑盘的连接处设置有第一过渡圆角。柔性支撑柱与顶部支撑盘的连接处设置有第二过渡圆角。所述的导流槽呈十字形。所述的第一消应力槽为通槽，且呈圆弧形。
进一步的，所述的柔性支撑柱的材质为碳纤维增强复合材料。
进一步的，所述顶部支撑盘的外端面上开设有多个顶部减重槽。顶部减重槽的靠近顶部支撑盘中心处设置有第三过渡圆角。所述底部支撑盘上开设有多个底部减重槽。
进一步的，所述的支撑底座上开设有m个功能槽孔组。m个功能槽孔组分别位于m个柔性单元的内侧。功能槽孔组由一个柔性连接孔和四个呈圆弧形的第二消应力槽。四个第二消应力槽沿柔性连接孔的周向均布。
进一步的，所述顶部阻热孔及底部阻热孔的轴线垂直于顶部隔热块的中心轴线。
进一步的，所述的顶部隔热块和底部隔热块上均设置有温度传感器。
进一步的，所述柔性单元与对应的凸台之间设置有柔性垫圈。柔性垫圈采用弹簧垫圈或橡胶垫圈。
进一步的，所述底部支撑盘的端面上开设有n个螺纹孔，n≥3。所有凸台上均开设有n个第一连接孔。凸台上的n个第一连接孔与对应底部支撑盘上的n个螺纹孔分别对齐。每个底部支撑盘上均设置有n个固定单元。固定单元包括螺栓、球面垫圈、锥面垫圈和衬套。所述的衬套设置在支撑底座上对应的第一连接孔内。螺栓的螺杆穿过对应的第一连接孔，并与螺纹孔螺纹连接。螺栓的头部与支撑底座之间垫有球面垫圈和锥面垫圈。
进一步的，m个柔性单元内的顶部支撑盘均与反射镜的背面固定。m个柔性单元的中心轴线均与反射镜的中心轴线平行，且沿反射镜的中心轴线的周向均布。m个柔性单元的中心轴线到反射镜的中心轴线的距离均为反射镜半径的三分之二。
m个柔性单元与反射镜的具体固定形式如下：反射镜背面设置有m个圆柱形支撑腔。圆柱形支撑腔的直径比顶部支撑盘的直径大0.2～0.4mm。m个顶部支撑盘分别设置在m个圆柱形支撑腔内，并与三个圆柱形支撑腔分别胶接。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明中的顶部隔热块和底部隔热块均采用梯度式多孔结构，由于小孔空隙内空气的导热性较差、气体流动性差，因此该结构隔热性很好，且孔径越小，隔热性越好。
2、本发明的柔性支撑柱包括顶部隔热块、柔性支撑件、底部隔热块，且柔性支撑件四周设置有形状记忆合金，并与顶部隔热块和底部隔热块连接，通过调节输入电流大小能够改变形状记忆合金收缩量，进而调整大口径反射镜的空间位姿。
3、本发明中的柔性支撑柱与底部支撑盘和顶部支撑盘间采用圆角过渡，有效地避免了应力集中。顶部支撑盘设有消应力槽，减小了热变形和装配应力对反射镜面型的影响。所述底部支撑盘和顶板支撑盘上设有减重槽，一方面减轻了整个装置的重量，另一方面释放了反射镜与顶部支撑盘间由于温度变化产生的应力对反射镜精度的影响。
4、本发明的柔性单元与圆柱形支撑腔的间隙控制在0.1～0.2mm，最大程度避免了由于温度变化造成底部支撑盘的变形对反射镜面形精度的影响，同时顶部支撑盘胶合面上设有导流槽，一方面有利于粘结剂的均匀分布，另一方面消除反射镜与柔性单元间的热应力。
5、本发明的柔性支撑柱采用直圆双轴圆柱柔性铰链的结构，避免了采用单轴柔性铰链只能沿一个方向弹性弯曲及刚性结构多切槽容易造成不同方向上的柔性回转中心位置不同和加工困难等问题，该呈回转体的双轴柔性铰链，沿任意方向具有相同的柔性、在各个方向具有最高的灵敏度且容易加工。保证反射镜在工作方向变化、工作环境温度变化和有装配误差时反射镜的面形精度在允许范围内保持稳定。
6、本发明中的柔性单元与大口径反射镜通过固定单元连接。固定单元内的球面垫圈和锥面垫圈，能够实现接触面的自动找平，减小由于接触面的不平导致装配应力对反射镜精度的影响。同时，柔性垫圈的变形，能够消除热应力和装配应力，避免对反射镜成像质量的影响。
7、本发明中的柔性单元采用柔性支撑柱与底部支撑盘、顶板支撑盘相连接；三个底部支撑盘均匀布置在支撑底座上；避免了采用锥套粘结增加整个柔性支撑结构的质量、增加装配难度及容易造成反射镜面形精度变差等问题，简化了大口径反射镜支撑装置的整体结构。
8、本发明中的柔性支撑柱的材质为碳纤维增强复合材料(CFRP)，碳纤维增强复合材料的线膨胀系数与反射镜材料相匹配，尽量减小了柔性单元对反射镜面形精度的影响，同时该材料的强度较好，能够弥补柔性单元的刚度较差的缺陷。大口径反射镜的材质为碳化硅(SIC)；由于SIC材料随温度变化的变形极小，减小了环境温度对镜面面形精度的影响。
附图说明
图1为背景技术中提及的超大口径光学反射镜多向柔性支撑结构的结构示意图；
图2为本发明的工作状态示意图；
图3为本发明的整体结构图；
图4为本发明中柔性单元的倒置立体图；
图5为本发明中柔性单元的倒置正视图；
图6为本发明中柔性支撑柱的倒置正视图；
图7为本发明中固定单元的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图2、3、4和5所示，基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，包括柔性单元2、支撑底座4和固定单元5。柔性单元2包括顶部支撑盘7、柔性支撑柱10和底部支撑盘11；柔性支撑柱10两端与顶部支撑盘7、底部支撑盘11的中心位置分别固定。顶部支撑盘7、柔性支撑柱10及底部支撑盘11的中心轴线重合。柔性支撑柱10与底部支撑盘11的连接处设置有第一过渡圆角14。柔性支撑柱10与顶部支撑盘7的连接处设置有第二过渡圆角15。第一过渡圆角14和第二过渡圆角15能够避免应力集中，进而保证本发明的寿命。
顶部支撑盘7的侧面上开设有多个导流槽8；导流槽8呈十字形，且不是通槽。顶部支撑盘7端面的边缘处开设有沿顶部支撑盘7的周向均布的四个第一消应力槽9。第一消应力槽9为通槽，且呈圆弧形。顶部支撑盘的外端面上开设有四个呈扇形的顶部减重槽23。顶部减重槽23的靠近顶部支撑盘7中心处设置有第三过渡圆角24。底部支撑盘11的端面上开设有沿底部支撑盘11 的周向均布的六个螺纹孔12和沿底部支撑盘11的周向均布的三个底部减重槽13。底部减重槽13呈弧形且无棱角。
如图3、4、5和6所示，柔性支撑柱10为回转体，其包括顶部隔热块10-1、柔性支撑块10-2和底部隔热块10-3。柔性支撑柱的材质为碳纤维增强复合材料(CFRP)。顶部隔热块10-1、底部隔热块10-3的内端与柔性支撑件10-2 的两端分别粘接在一起。柔性支撑柱10等效为一个双轴柔性铰链，在各个方向具有最高的灵敏度，且沿任意方向都具有相同的柔度。
顶部隔热块10-1和底部隔热块10-3上均设置有温度传感器。顶部隔热块 10-1的侧面上开设有成行排列的多行顶部阻热孔。顶部阻热孔的轴线垂直于顶部隔热块10-1的中心轴线。沿着顶部隔热块的外端向内端的方向上，顶部阻热孔的孔径逐渐增大。底部隔热块10-3的侧面上开设有成行排列的多行底部阻热孔。底部阻热孔的轴线垂直于底部隔热块10-3的中心轴线。沿着底部隔热块的外端向内端的方向上，底部阻热孔的孔径逐渐增大。
顶部阻热孔及底部阻热孔均形成梯度式多孔结构。由于小孔空隙中空气的导热性较差、气体流动性差，因此梯度式多孔结构的隔热性很好。并且孔径越小，阵列越密，隔热效果越好。而柔性单元2的主要功能是减少顶部支撑盘7与反射镜之间的热传导，使用中顶部隔热块10-1及底部隔热块10-3的外端是与底部支撑盘11、顶部支撑盘7分别直接接触的位置。故顶部隔热块 10-1及底部隔热块10-3的外端具有良好阻热性能的情况下能够有效减小柔性支撑柱10上不同位置的温度差，进而提升隔热效果，并能够降低温差导致的柔性支撑件10-2不同位置的变形量差异。基于以上原因，本发明的顶部隔热块10-1及底部隔热块10-3上，越靠近外端的阻热孔，孔径越小。这样的设计将加工难度高的小直径孔的效用发挥到最大，在降低加工成本的同时，保证了隔热效果。
柔性支撑件10-2的侧面呈内凹状，包裹有形状记忆合金层10-5。形状记忆合金层10-5的两端与顶部固定端10-4和底部固定端10-6连接，并通过顶部固定端和底部固定端输入电流加热形状记忆合金。根据检测的温度值实时调节输入电流大小调整形状记忆合金10-5，以调节主反射镜1与支撑底座4 的相对位置。在非通电状态下，形状记忆合金层10-5被动地伸长并进入自身的去孪马氏体状态。在通电状态下，形状记忆合金层10-5被加热，并由于温度升高而发生马氏体相变，从而产生主动收缩动作。当给形状记忆合金提高足够大的电流时，形状记忆合金在温度升高到一定程度时全部进入奥氏体状态，此时的收缩量是最大的。因此，能够通过控制通入形状记忆合金层10-5 的电流大小，调整形状记忆合金层10-5的形状，进而利用柔性支撑柱10沿任意方向具有相同柔度的特点，实现整个柔性单元2的形状调节，补偿因温度变化和装配应力导致的反射镜镜面位移和变形。
支撑底座4呈中空的三角形。支撑底座4的三个角上均开设有功能槽孔组。功能槽孔组由一个柔性连接孔21和四个呈圆弧形的第二消应力槽22。四个第二消应力槽22沿柔性连接孔21的周向均布。
支撑底座4的三个角上均设置有与支撑底座4一体成型的凸台20。三个凸台20分别位于三个功能槽孔组远离支撑底座4中心的一侧。三个凸台20 上均开设有沿凸台中心轴线的周向均布的六个第一连接孔。第一连接孔贯穿支撑底座4。柔性单元2共有三个。三个柔性单元2内的底部支撑盘11分别设置在三个凸台20上。柔性单元2与对应的凸台之间设置有柔性垫圈6。柔性垫圈6采用弹簧垫圈或橡胶垫圈。
柔性垫圈6上开设有六个第二连接孔。凸台上的六个第一连接孔、对应柔性垫圈6上的六个第二连接孔、对应底部支撑盘11上的六个螺纹孔12分别对齐。
如图2和7所示，每个底部支撑盘 11 上均设置有六个固定单元5。固定单元5包括螺栓16、球面垫圈17、锥面垫圈18和衬套19。衬套19设置在支撑底座4上对应的第一连接孔内。螺栓16的螺杆穿过对应的第一连接孔、第二连接孔，并与螺纹孔12螺纹连接并拧紧。螺栓16的头部与支撑底座4之间垫有球面垫圈17和锥面垫圈18。
三个柔性单元2内的顶部支撑盘7均与大口径反射镜1的背面固定。大口径反射镜的材质为碳化硅(SIC)。三个柔性单元2的中心轴线均与大口径反射镜的中心轴线平行，且沿大口径反射镜的中心轴线的周向均布。三个柔性单元2的中心轴线到大口径反射镜的中心轴线的距离均为大口径反射镜半径的三分之二。
三个柔性单元2与大口径反射镜的具体固定形式如下：
大口径反射镜1背面设置有多块肋板26，并设置有三个圆柱形支撑腔3。三个圆柱形支撑腔3沿大口径反射镜的中心轴线的周向均布。三个圆柱形支撑腔3的轴线到大口径反射镜中心轴线的距离均为大口径反射镜半径的三分之二。圆柱形支撑腔3的直径比顶部支撑盘 7 的直径大0.2～0.4mm。三个顶部支撑盘 7 分别设置在三个圆柱形支撑腔3内，并与三个圆柱形支撑腔3分别胶接。顶部支撑盘 7 与圆柱形支撑腔3胶接的过程中，胶水将流入各导流槽8中，以增强胶接效果。
本发明的装配过程为：
步骤一、将柔性支撑柱10的两端与顶部支撑盘7、底部支撑盘11分别粘接，得到柔性单元2。
步骤二、将三个步骤一所得的柔性单元2分别胶粘到大口径反射镜1的三个圆柱形支撑腔3内。
步骤三、对支撑底座以及三个柔性单元的底部支撑盘11进行研磨，直到整体平面度达到要求。
步骤四、将三个柔性单元的底部支撑盘11与支撑底座4通过固定单元连接，完成组装。
本发明的工作原理如下：
本发明中的柔性单元减少大口径反射镜1与机架的热传导，减少机架的温度对大口径反射镜1的人工恒温状态的影响。当大口径反射镜1的空间位姿需要微调时，分别调整通入三个柔性单元内形状记忆合金层10-5的电流大小，使得三个柔性单元发生形变，以矫正大口径反射镜1的空间位姿。
Claims (10)
1.基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，包括柔性单元、支撑底座和固定单元；其特征在于：所述的柔性单元包括顶部支撑盘、柔性支撑柱和底部支撑盘；所述的柔性支撑柱两端与顶部支撑盘、底部支撑盘的中心位置分别固定；顶部支撑盘的侧面上开设有多个导流槽；顶部支撑盘端面上开设有沿顶部支撑盘的周向均布的多个第一消应力槽；
柔性支撑柱包括顶部隔热块、柔性支撑块和底部隔热块；顶部隔热块、底部隔热块的内端与柔性支撑件的两端分别固定；顶部隔热块的侧面上开设有多个顶部阻热孔；沿着顶部隔热块的外端向内端的方向上，顶部阻热孔的孔径逐渐增大；底部隔热块的侧面上开设有多个底部阻热孔；沿着底部隔热块的外端向内端的方向上，底部阻热孔的孔径逐渐增大；柔性支撑件的侧面呈内凹状，包裹有形状记忆合金层；支撑底座上均设置有m个凸台，m≥3；柔性单元共有m个；m个柔性单元内的底部支撑盘与m个凸台分别通过固定单元固定。
2.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：所述顶部支撑盘、柔性支撑柱及底部支撑盘的中心轴线重合；柔性支撑柱与底部支撑盘的连接处设置有第一过渡圆角；柔性支撑柱与顶部支撑盘的连接处设置有第二过渡圆角；所述的导流槽呈十字形；所述的第一消应力槽为通槽，且呈圆弧形。
3.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：所述的柔性支撑柱的材质为碳纤维增强复合材料。
4.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：所述顶部支撑盘的外端面上开设有多个顶部减重槽；顶部减重槽的靠近顶部支撑盘中心处设置有第三过渡圆角；所述底部支撑盘上开设有多个底部减重槽。
5.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：所述的支撑底座上开设有m个功能槽孔组；m个功能槽孔组分别位于m个柔性单元的内侧；功能槽孔组由一个柔性连接孔和四个呈圆弧形的第二消应力槽组成；四个第二消应力槽沿柔性连接孔的周向均布。
6.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：所述顶部阻热孔及底部阻热孔的轴线垂直于顶部隔热块的中心轴线。
7.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：所述的顶部隔热块和底部隔热块上均设置有温度传感器。
8.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：所述柔性单元与对应的凸台之间设置有柔性垫圈；柔性垫圈采用弹簧垫圈或橡胶垫圈。
9.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：所述底部支撑盘的端面上开设有n个螺纹孔，n≥3；所有凸台上均开设有n个第一连接孔；凸台上的n个第一连接孔与对应底部支撑盘上的n个螺纹孔分别对齐；每个底部支撑盘上均设置有n个固定单元；固定单元包括螺栓、球面垫圈、锥面垫圈和衬套；所述的衬套设置在支撑底座上对应的第一连接孔内；螺栓的螺杆穿过对应的第一连接孔，并与螺纹孔螺纹连接；螺栓的头部与支撑底座之间垫有球面垫圈和锥面垫圈。
10.根据权利要求1所述的基于梯度式多孔结构的大口径红外望远镜可调支撑装置，其特征在于：m个柔性单元内的顶部支撑盘均与反射镜的背面固定；m个柔性单元的中心轴线均与反射镜的中心轴线平行，且沿反射镜的中心轴线的周向均布；m个柔性单元的中心轴线到反射镜的中心轴线的距离均为反射镜半径的三分之二；
m个柔性单元与反射镜的具体固定形式如下：反射镜背面设置有m个圆柱形支撑腔；圆柱形支撑腔的直径比顶部支撑盘的直径大0.2～0.4mm；m个顶部支撑盘分别设置在m个圆柱形支撑腔内，并与三个圆柱形支撑腔分别胶接。
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