CN1099604C - 空间用大口径光学主镜支承装置 - Google Patents

Abstract

一种空间用大口径光学主镜支承装置，主镜通过径向支承、底支承、前支承固定于主镜框中，其中该径向支承是一在主镜的外圆柱面和主镜框的内圆柱面之间均匀填充的室温固化硅橡胶圆环；该底支承是在主镜框的内底圆上均匀布设的三个凸出支承面，且它们共面；该前支承包括与主镜框成固定连接的三块L形压板，它们置于主镜的圆柱面中部设置的三个凹口内，且与凹口端面留有间隙。本发明结构紧凑、简单、防振效果好；引起的镜面变形小。

Description

空间用大口径光学主镜支承装置

本发明涉及光学元件，支承装置，特别是卫星遥感仪器用大口径望远镜系统主镜支承。

对于卫星遥感仪器大口径卡塞格伦(cassegrain)或里奇-克雷季昂(RitChey-chretien)双反射望远镜系统来说，主镜支承显得十分重要，它直接关系到光学系统象质好坏。但目前有关主镜的支承结构却存在结构复杂或可靠性差的缺点，例如国内电影经纬仪中φ500毫米主反射镜的支承方法是采取与主镜中心孔配合很好的中心轴作为中心定位支承，底支承为九点支承，且为避免超定位，便将每三个支点连在一块支板上，支板的重心上又有成正三角形排列的三个支点与底支板相连；其径向支承则为杠杆平衡重支承和前支承为六点弹簧支承，结构相当复杂。又如国外大口径主镜支承则是采用挠曲金属带三点正切支承，具体参见保罗·R和杨德·Jr所著的《光学机械系统设计》(Paul.R，Yoder.Jr，《Opto-MechanicalSystems Design》)，第205～209页，1986年。显然，这种支承方法存在的主要问题是机械结构复杂且体积大，它是依靠挠曲金属带的大弹性变形吸收振动能量，防振效果及可靠性均较差，并且金属带支座和玻璃主镜的胶接较难解决。

本发明的目的是提供一种结构简单且紧凑，防振效果好，可靠性好的大口径光学主镜支承装置。

本发明的目的是这样来达到，主镜通过径向支承、底支承、前支承固定于主镜框中，特点是：径向支承是在主镜的外圆柱面和主镜框的内圆柱面之间所设的均匀填充室温固化的硅橡胶圆环；底支承是在主镜框的内底圆上均匀布设的三个凸出支承面，每个支承面须经光学研磨，平面度要好，并保持三个支承面共面；前支承由殷钢材料制成，它置于主镜的圆柱面中部等分设置的三个凹口内，且与该三个凹口端面留有空隙，即用螺钉加弹簧垫圈和平垫圈固定于主镜框中。被支承的主镜是由熔石英材料制成的双曲面反射镜，背面为蜂窝状轻量化结构，中心有一圆孔，供中心定位套定位。

主镜固装过程如下：先把中心定位套用均匀布设的螺钉固定于水平放置的主镜框中，再把主镜定位于中心定位套中，在主镜外圆柱面和主镜框内圆柱面之间均匀填充硅橡胶，室温固化后形成径向支承。然后在主镜圆柱面中部120。均布的三个凹口中分别放入前支承，用螺钉加弹簧垫圈和平垫圈固定于主镜框中，前支承端面与凹口端面不接触，留有间隙。前支承的作用是：防止主镜意外轴向移动(正常情况下不发生)及主镜安装于主镜室时碰撞主镜室内壁。

上述的硅橡胶径向支承的径向厚度t_r需合适，使主镜受到的径向压应力最小、t_r可按下式计算： $t_r=\frac{D_g(a_m-a_g)}{2(a_r-a_m)}-----\left(1\right)$

式中：D_g为主镜外径；α_m为主镜框材料的线膨胀系数；α_g为主镜材料的线膨胀系数；α_r为硅橡胶的线膨胀系数。

主镜镜面变形的计算，卫星自旋时，主镜在轴向受到离心力作用，离心力F可按下式计算：

        F＝mRω²                            (2)

式中：m为主镜质量；R为主镜质心离卫星自旋轴之距；ω为卫星自旋角速度。

实际蜂窝状主镜可近似为有孔薄圆板，根据圆板理论分析结果，正三角形排列支承效果最好。对于单三点支承形式，主镜镜面的最大变形δmax可按下计算： ${\mathrm{\δ}}_{\max }=\frac{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)\•\mathrm{\δ}\•F{\•a}^4}{\mathrm{\π}{E}_g{t}^3(a^2-c^2)}-------\left(3\right)$

式中：μ为主镜材料泊松比；δ为主镜变形归一化值；α为主镜外半径；c为主镜中心孔半径；t为主镜平均厚度；E_g为主镜材料弹性模量。

本发明用有限元法精确计算了主镜在离心力作用下镜面最大变形，计算结果与式(3)近似计算结果相吻合。

本发明有如下有益效果：1、本发明的主镜支承装置结构紧凑、支承方式简单、可靠性良好。2、径向支承的硅橡胶环具有较大阻尼，不需要产生大的变形就能吸收各个方向的振动能量，防振效果很好。3、硅橡胶与主镜(玻璃材料)、主镜框(金属材料)都有合适的粘接力，由于是整个圆周均匀支承，实测证明主镜粘结后镜面变形很小。4、本发明适用于卫星遥感仪器中φ500毫米以下轻量化主镜的支承和固装，引起的镜面变形小于0.05微米。

本发明的附图简单说明如下：

图1是主镜支承装置结构示意图。

图2为主镜示意图。

图3为主镜框示意图。

图中标号说明：

1-主镜室                        2-径向支承

3-主镜框                        4-主镜

5-固定螺钉                      6-中心定位套

7-底支承                        8-前支承

9-固定螺钉                      10-弹簧垫圈

11-平垫圈

根据图1～图3给出本发明一个实施例：

被支承的主反射镜4外径φ410毫米，内孔φ130毫米，轴向中心厚度41毫米，材料为熔石英，背面为蜂窝状结构，轻量化后的质量6.7千克。

主镜框3外径φ437毫米，内孔φ413毫米，轴向厚度33毫米，材料为4J32殷钢，轻量化后的质量为3.2千克，前端面平面度为0.01毫米。

底支承7为主镜框3内底圆120°均布的三个凸出面，每个底支承7面积为15×16毫米²，支承面中心半径R为143毫米，支承面经光学研磨，其平面度为0.002毫米。

径向支承2外径φ413毫米，内径φ410毫米，轴向厚度25毫米，材料为703型室温固化硅橡胶。

光学主镜在离心力65牛顿作用下，主镜镜面的最大变形δ_max为0.035微米(用圆板理论近似计算)或＝δ_max0.03微米(用有限元法精确计算)。

本发明的关键问题在于主镜支承装置必需十分可靠。为此，对本实施例还进行了如下可靠性的试验：

1、在地面随遥感仪器及随卫星进行了多次高、低温交变试验，镜面变形很小，光学象质优良，证明本发明温度适应性良好。

2、在地面随遥感仪器及随卫星进行多次力学振动试验，主镜位置没有移动，光学象质不变，证明本发明的力学振动适应性也良好。

3、对径向支承所用的硅橡胶的防污染性能，委托中国航天总局510所进行专门测量，测量结果为：在真空度为10^-4帕环境下，经历24小时，样品总质量损失为0.43×10^-2，挥发性可凝物逸出率为1.2×10^-4，符合卫星使用要求。

4、对径向支承所用硅橡胶的耐辐照性能，委托中国科学院上海原子核研究所进行专门测量，测量结果证明：硅橡胶耐辐照性能符合卫星使用要求。

5、本实施例已成功试用在我国首次发射成功的风云二号气象卫星扫描辐射计主镜支承中，获取的七千余幅可见、红外和水汽图象十分清晰，分辨率高，图象质量好。

Claims (6)

1、一种空间用大口径光学主镜支承装置，主镜(4)通过径向支承(2)、底支承(7)、前支承(8)固定于主镜框(3)中，其特征在于：

a.该径向支承(2)是一在主镜(4)的外圆柱面和主镜框(3)的内圆柱面之间均匀填充的室温固化硅橡胶圆环；

b.该底支承(7)是在主镜框(3)的内底圆上均匀布设的三个凸出支承面，并且该三个支承面共面；

c.该前支承(8)包括与主镜框(3)成固定连接的三块L形压板，该压板置于主镜(4)的外圆柱面中部设置的三个凹口内，且与该三个凹口端面留有间隙。

2、根据权利要求1所述的空间用大口径光学主镜支承装置，其特征在于：所说的主镜(4)是一块熔石英材料制成的双曲面反射镜，背面为蜂窝状轻量化结构。

3、根据权利要求1所述的空间用大口径光学主镜支承装置，其特征在于：所说的主镜框(3)是圆柱形轻量化结构。

4、根据权利要求3所述的空间用大口径光学主镜支承装置，其特征在于该轻量化结构主镜框(3)是由殷钢材料制成。

5、根据权利要求1所述的空间用大口径光学主镜支承装置，其特征在于构成前支承(8)的L形压板是由殷钢材料制成。

6、根据权利要求1所述的空间用大口径光学主镜支承装置，其特征在于所说的构成前支承(8)的L形压板与主镜框(3)的固定连接是指前支承(8)的L形压板用螺钉(9)加弹簧垫圈(10)、平垫圈(11)而固定于主镜框(3)中。