CN110727078A - 一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天遥感技术领域，提供了一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，包括支撑反射镜的柔性镜座，在反射镜的背部加工出圆柱凸台，圆柱凸台与反射镜的光轴同轴布置，在圆柱凸台外围的反射镜的背部加工出限位平台，柔性镜座包括内环、外环、柔性环和安装部，内环、外环和柔性环同心设置，柔性环设置在内环和外环之间，内环和外环通过柔性环连接。本发明所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，不仅可以使反射镜组件具有较高的基频，还可以保证反射镜的面形精度在重力卸载、温度变化和安装面存在不平度等主要工况下均可以充分满足可见光波段遥感器的常规设计要求。

Description

一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构

技术领域

本发明属于航天遥感技术领域，尤其是涉及一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构。

背景技术

空间遥感器中的反射镜，其安装精度与面形精度的好坏直接影响光学系统成像质量的高低。因此对反射镜的支撑结构提出了很高的要求。

反射镜的现有的柔性支撑机构的存在如下缺点：a)径向尺寸过大：反射镜安装在支撑环内部，导致整个反射镜组件径向安装尺寸过大，而且柔性支撑件的重量大，降低了反射镜组件的轻量化率；b)粘接面积过大：反射镜整个外边缘均与支撑环内侧粘接，很难保证胶层的均匀性，粘接后易导致镜面变形；c)组件轴向柔性差：该结构缺少光轴方向的柔性，导致在安装反射镜时对接口区域的平面度要求极高，而现有的加工水平又难以保证，易造成反射镜组件在装配过程中发生变形。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，该结构不仅可以使反射镜组件具有较高的基频，还可以保证反射镜的面形精度(RMS值)在重力卸载、温度变化和安装面存在不平度等主要工况下均可以充分满足可见光波段遥感器的常规设计要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，包括支撑反射镜的柔性镜座，在所述的反射镜的背部加工出圆柱凸台，所述的圆柱凸台与反射镜的光轴同轴布置，在圆柱凸台外围的反射镜的背部加工出限位平台，所述的柔性镜座包括内环、外环、柔性环和安装部，所述的内环、外环和柔性环同心设置，所述的柔性环设置在内环和外环之间，所述的内环和外环通过柔性环连接；

所述的内环包括粘接柱面和限位凸台，所述的粘接柱面为内环的内侧面，在内环的端面处设有限位凸台，所述的限位凸台与粘接柱面的中轴线垂直设置，反射镜的圆柱凸台与内环的粘接柱面配合，所述的限位凸台与反射镜的限位平台配合；

在柔性环上设有呈120°均布的同心的三个第一内柔性槽、三个第二内柔性槽和三个外柔性槽，三个第一内柔性槽和三个第二内柔性槽布置在同一圆周上且交叉设置，三个外柔性槽设置在所有内柔性槽的外围，三种柔性槽组成内外两层柔性环节；

外环上带有三处成120°均布的安装部，每个安装部正对应一第一内柔性槽设置，所述的安装部呈“山”字型结构，所述的安装部包括柔性梁和安装座，所述的柔性梁的一端与外环连接，柔性梁的另一端与安装座的中部固定连接，在安装座上设有两个螺纹通孔，且两个螺纹通孔关于柔性梁对称设置，通过螺纹通孔将柔性镜座固定在空间相机的相应位置上。

进一步的，在所述内环的表面上还设有内环凹陷。

进一步的，在限位凸台的内侧设有便于镜体安装的倒角。

进一步的，每个外柔性槽与邻近的第一内柔性槽正对设置。

进一步的，每个第一内柔性槽的两端相对于柔性镜座的圆心的张角为18°，每个第二内柔性槽的两端相对于柔性镜座的圆心的张角为60°，每个外柔性槽的两端相对于柔性镜座的圆心的张角为110°。

进一步的，所有柔性槽的宽度均相同，且在各柔性槽的首末两端分别加工有圆孔。

进一步的，所述安装部的柔性梁的横截面呈矩形，安装座上的两个螺纹通孔靠近外环布置。

进一步的，所述反射镜的圆柱凸台的尺寸与内环的粘接柱面尺寸相适应。

相对于现有技术，本发明所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构具有以下优势：

本发明所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，

(1)本发明采用中心支撑形式，并在镜座上设计了完备有效的柔性结构，一方面保证了重力工况下的反射镜面形精度，另一方面可以改善安装面存在不平度、环境温度变化时对镜面面形造成的影响。

(2)本发明结构简单，装配精度高，可靠性高。与同口径反射镜的周边支撑形式，本发明的柔性支撑结构径向尺寸显著减小，大大降低了组件重量；本申请设计了独特的柔性梁结构，有效增加了轴向柔度，对温度变化、安装不平度等工况的适应性明显增强。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构的示意图；

图2为图1的C-C向剖视图；

图3为图1中D处的放大图；

图4为图2中B处的放大图；

图5为一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构的左视图；

图6为图5中E处的放大图；

图7为一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构的安装示意图；

图8为图7中F处的放大图。

附图标记说明：

1-柔性环，2-内环，3-外环，4-安装部，5-第一内柔性槽，6-第二内柔性槽，7-外柔性槽，8-粘接柱面，9-内环凹陷，10-限位凸台，11-倒角，12-下端面，13-连接底面，14-柔性梁，15-螺纹通孔，16-柔性镜座，17-反射镜，18-限位平台，19-圆柱凸台，20-安装座。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图8所示，一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，包括支撑反射镜17的柔性镜座16，在所述的反射镜17的背部加工出圆柱凸台19，所述的圆柱凸台19与反射镜17的光轴同轴布置，在圆柱凸台29外围的反射镜17的背部加工出限位平台18，所述的柔性镜座16包括内环2、外环3、柔性环1和安装部4，所述的内环2、外环3和柔性环1同心设置，所述的柔性环1设置在内环2和外环3之间，所述的内环2和外环3通过柔性环1连接；

所述的内环2包括粘接柱面8和限位凸台10，所述的粘接柱面8为内环2的内侧面，在内环2的端面处设有限位凸台10，所述的限位凸台10与粘接柱面8的中轴线垂直设置，反射镜17的圆柱凸台19与内环2的粘接柱面8配合，所述的限位凸台10与反射镜17的限位平台18配合；

在柔性环1上设有呈120°均布的同心的三个第一内柔性槽5、三个第二内柔性槽6和三个外柔性槽7，三个第一内柔性槽5和三个第二内柔性槽6布置在同一圆周上且交叉设置，三个外柔性槽7设置在所有内柔性槽的外围，三种柔性槽组成内外两层柔性环节；

外环3上带有三处成120°均布的安装部4，每个安装部4正对应一第一内柔性槽5设置，所述的安装部4呈“山”字型结构，所述的安装部4包括柔性梁14和安装座20，所述的柔性梁14的一端与外环3连接，柔性梁14的另一端与安装座20的中部固定连接，在安装座20上设有两个螺纹通孔15，且两个螺纹通孔15关于柔性梁14对称设置，通过螺纹通孔15将柔性镜座16固定在空间相机的相应位置上。

在所述内环2的表面上还设有内环凹陷9，内环凹陷9用于去除多余材料达到减重的目的，可以起到进一步降低柔性镜座16的刚度、改善结构稳定性，以及减轻重量的作用。

在限位凸台10的内侧设有便于镜体18安装的倒角11，可以使柔性镜座16与圆柱凸台19的根部不相干涉。

每个外柔性槽7与邻近的第一内柔性槽5正对设置，且每一外柔性槽7的中心和邻近的第一内柔性槽5的中心之间连线的延长线均通过柔性镜座16的圆心。

每个第一内柔性槽5的两端相对于柔性镜座16的圆心的张角为18°，每个第二内柔性槽6的两端相对于柔性镜座16的圆心的张角为60°，每个外柔性槽7的两端相对于柔性镜座16的圆心的张角为110°。

所有柔性槽的宽度均相同，且在各柔性槽的首末两端分别加工有圆孔，以防止应力集中。

所述安装部4的柔性梁14的横截面呈矩形，安装座4上的两个螺纹通孔15靠近外环3布置。

所述反射镜17的圆柱凸台19的尺寸与内环2的粘接柱面8尺寸相适应。

反射镜17由光学玻璃(如微晶)等常见的光学材料制成，根据光学系统的实际需要，其反射面的形状可以自由设计。

工作原理说明：

根据反射镜17的圆柱凸台19的外径，配作柔性镜座16的粘接柱面8的内径，令二者间隙适中，从而保证反射镜17的径向定位精度；反射镜17的限位平台18与光轴垂直，柔性镜座16的圆柱凸台19与粘接柱面8的轴线垂直，当限位平台18与限位凸台10接触时，可实现轴向定位。在圆柱凸台19与粘接柱面8之间胶接。该发明不仅工艺上可行、装配方便，而且定位精度高、结构刚度好。

本发明的单点支撑柔性结构，主要具有两重柔性环节：柔性环1和安装部4。三个第一内柔性槽5、三个第二内柔性槽6和三个外柔性槽7，均采用线切割成形工艺加工，它们长短不一、沿圆周交错分布，将柔性环1分割成若干部分，从而降低了结构的径向刚度。柔性镜座16采用铟钢制造，其线胀系数应经过调制，使之与反射镜17镜体材料的线胀系数尽量匹配，从而减小温度变化时结构内部的热应力。当环境温度变化导致反射镜17与柔性镜座16之间的热膨胀变化量不一致时，柔性环1会发生沿径向的柔性变形，有效地阻断内环2与外环3间的应力传递，减小热应力对反射镜17镜面面形精度的影响。

三处安装部4在外环3上呈120°均布，每处安装部4均具有一根柔性梁14，柔性梁14的长度L、宽度D和厚度T对该结构的轴向刚度有显著的影响，通过调整上述三个结构参数就可以获得合适的轴向刚度。在固定反射镜组件时，安装部4的连接底面13与被连接零件的接触面之间会存在一定的不平度，此时柔性梁14可以通过轴向柔性变形抵消不平度带来的影响，保证镜面的面形质量在允许范围内变化。安装部4中柔性梁14的轴向位置非常接近反射镜17，这样可以减小重力工况下由于反射镜17的质心与柔性镜座16的安装面不重合而产生的弯矩，降低重力因素对反射镜面形的影响。在重力工况下，柔性梁14也可以通过柔性变形来释放应力，减小重力对反射镜面形精度的影响。

一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构的安装步骤如下：

首先调整镜体圆柱凸台19与柔性镜座16中粘接柱面8的直径，使二者间隙适中，实现反射镜17的径向定位；其次将圆柱凸台19插入内环2的粘接柱面8中，使得限位平台18与限位凸台10相接触，限制柔性镜座16的轴向移动，实现轴向定位；然后在圆柱凸台19与粘接柱面8之间涂胶，保持光轴朝天的摆放姿态完成固化，实现二者的紧密粘接；反射镜17与柔性镜座16一旦粘接，一般不再拆除；

每处安装部4的两侧对称分布有两个螺纹通孔15，待反射镜17与柔性镜座16粘接固化后，由二者构成的反射镜组件通过安装部4上的螺纹通孔15与相机主承力结构上对应的接口位置间用螺钉相连接，从而固定在空间相机之上；拆卸时，只需拆除螺钉即可。

本发明具有如下特点：a)不同于现有周边支撑形式，本发明采用中心支撑形式，柔性支撑结构的安装尺寸要远小于同口径反射镜的周边支撑形式；b)本发明的柔性结构设计比现有结构更加完备、有效，各主要空间工况下的反射镜面形精度更高，且组件基频较高；c)针对现有技术在反射镜组件安装中易产生镜面变形的问题，本申请通过引入独特的柔性梁结构，改善了支撑结构的轴向刚度，使得反射镜组件在反复拆装的过程中面形稳定，抗外部干扰的能力显著增加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，其特征在于：包括支撑反射镜(17)的柔性镜座(16)，在所述的反射镜(17)的背部加工出圆柱凸台(19)，所述的圆柱凸台(19)与反射镜(17)的光轴同轴布置，在圆柱凸台(29)外围的反射镜(17)的背部加工出限位平台(18)，所述的柔性镜座(16)包括内环(2)、外环(3)、柔性环(1)和安装部(4)，所述的内环(2)、外环(3)和柔性环(1)同心设置，所述的柔性环(1)设置在内环(2)和外环(3)之间，所述的内环(2)和外环(3)通过柔性环(1)连接；

所述的内环(2)包括粘接柱面(8)和限位凸台(10)，所述的粘接柱面(8)为内环(2)的内侧面，在内环(2)的端面处设有限位凸台(10)，所述的限位凸台(10)与粘接柱面(8)的中轴线垂直设置，反射镜(17)的圆柱凸台(19)与内环(2)的粘接柱面(8)配合，所述的限位凸台(10)与反射镜(17)的限位平台(18)配合；

在柔性环(1)上设有呈120°均布的同心的三个第一内柔性槽(5)、三个第二内柔性槽(6)和三个外柔性槽(7)，三个第一内柔性槽(5)和三个第二内柔性槽(6)布置在同一圆周上且交叉设置，三个外柔性槽(7)设置在所有内柔性槽的外围，三种柔性槽组成内外两层柔性环节；

外环(3)上带有三处成120°均布的安装部(4)，每个安装部(4)正对应一第一内柔性槽(5)设置，所述的安装部(4)呈“山”字型结构，所述的安装部(4)包括柔性梁(14)和安装座(20)，所述的柔性梁(14)的一端与外环(3)连接，柔性梁(14)的另一端与安装座(20)的中部固定连接，在安装座(20)上设有两个螺纹通孔(15)，且两个螺纹通孔(15)关于柔性梁(14)对称设置，通过螺纹通孔(15)将柔性镜座(16)固定在空间相机的相应位置上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，其特征在于：在所述内环(2)的表面上还设有内环凹陷(9)。

3.根据权利要求1所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，其特征在于：在限位凸台(10)的内侧设有便于镜体(18)安装的倒角(11)。

4.根据权利要求1所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，其特征在于：每个外柔性槽(7)与邻近的第一内柔性槽(5)正对设置。

5.根据权利要求4所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，其特征在于：每个第一内柔性槽(5)的两端相对于柔性镜座(16)的圆心的张角为18°，每个第二内柔性槽(6)的两端相对于柔性镜座(16)的圆心的张角为60°，每个外柔性槽(7)的两端相对于柔性镜座(16)的圆心的张角为110°。

6.根据权利要求5所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，其特征在于：所有柔性槽的宽度均相同，且在各柔性槽的首末两端分别加工有圆孔。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，其特征在于：所述安装部(4)的柔性梁(14)的横截面呈矩形，安装座(4)上的两个螺纹通孔(15)靠近外环(3)布置。

8.根据权利要求7中所述的一种适用于中小口径空间反射镜的单点支撑柔性结构，其特征在于：所述反射镜(17)的圆柱凸台(19)的尺寸与内环(2)的粘接柱面(8)尺寸相适应。

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