CN110780416A - 一种用于空间大口径反射镜的支撑组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间大口径反射镜的支撑组件。该支撑组件由反射镜支撑背板、支撑筒、锁紧螺母、柔性垫片组成。支撑筒用于限制反射镜除了轴向的另外5维自由度，锁紧螺母用于固定反射镜的轴向自由度。本发明的优点在于：该支撑组件解决了原有大口径离轴三反光学系统中反射镜支撑结构的复杂的设计及较高的装配工艺要求等问题。支撑组件具有结构简单，不需要繁杂的装配工艺及零件修配。解决了传统大口径支撑结构由于悬臂支撑、温度场变化以及安装检测方式对反射镜镜体带来的附加应力问题。同时可以有效的降低支撑对光学面型带来的影响。同时由于结构简单，对空间大口径光学载荷的轻量化有实际的工程意义。

Description

一种用于空间大口径反射镜的支撑组件

技术领域

本发明属于航天领域，涉及一种用于空间大口径反射镜支撑组件，具体是为了解决航天领域中大口径反射镜的无应力支撑问题。本设计可以有效的简化大口径反射镜支撑的设计难度和工程实现的难度；可以有效的提高大口径反射镜的装校效率；也可以有效降低大口径反射镜装配应力对面型的影响。具有极大的工程实际应用价值和经济效益。

技术背景

随着我国航天事业的不断发展，空间光学遥感仪器的地面分辨率要求越来越高；同时，探测视场(幅宽)和探测灵敏度要求也越来越高；三反光学系统成为解决目前问题的一种趋势，目前已经开始研制分米级可见光和米级红外遥感仪器。随着地面分辨率的提高，对光学口径的需求越来越大，由原来200mm 口径，发展到1m口径，目前开始研制2m口径以上的反射镜；同时，光学像质的提高对光学零件的面型要求也越来越高。

反射镜是反射式光学系统的关键部件，反射镜支撑技术是大口径反射镜工程应用中的最关键技术之一。随着反射镜口径的增大，必须对其进行轻量化设计，以减轻自重变形的影响。主镜在轻量化以后，随着轻量化率的增加，虽然比刚度在提高，但其结构绝对刚度却在下降，因此镜面对支撑应力的敏感度也在迅速增大。同时，空间环境温度的改变也易通过支撑结构引起反射镜的面形变化。进入太空轨道以后，在地面已达到工程使用要求的主镜由于自重的消失和复杂的外界温度的变化，镜面面形也易发生变化，偏离设计和加工的要求，直接影响空间相机的成像效果。

根据主镜的工况、材料、加工、使用条件等的不同，支撑系统的设计要求也各不相同。空间光学系统中，主镜的支撑设计主要考虑重力、温度以及冲击振动的影响。因此，支撑系统的负载就是重力、热力学和动力学载荷。

对主镜的支撑实际上是在对主镜进行有效定位的同时卸载主镜的自重，以达到减小自重变形的目的，并且可承受温度和冲击的影响。现有的支撑方案都是在主镜的某些位置通过机械结构对其施加位置限定和力的作用，支撑力和镜体重力平衡，并且能够部分消除重力对镜面变形的影响。对于大口径主镜，使用的支撑系统有以下几种。

1)中心支撑

对于中小口径的反射镜，单独使用中心轴就能实现定位和约束；对于较大口径的反射镜，单独使用时镜面变形较大，此时要配合其他支撑方式，才能满足预定的支撑效果。此时，中心轴只起定位和约束的作用，承载很小。

2)多点支撑系统

典型的多点支撑系统有Grubb系统、Hinddle系统、Lassell系统和气(液) 压支撑系统等多种方式。

(1)Grubb支撑系统

这种系统采用铰链托架结构，利用镜子各个部分自身重量的相互平衡。这种结构是等效于杠杆机构，依靠空间杠杆的延伸部分和相应的镜体支撑部分相平衡，而支撑构件本身的刚度不会影响支撑效果。

(2)Hinddle支撑系统

该系统将杠杆机构应用到Grubb系统，相当于把两个Grubb系统用一个平衡杠杆连接起来，增加一个自由度。它不但扩展了支撑点的数量，而且不会出现过约束的问题。

(3)Lassell支撑系统

Lassell支撑系统实质是一个杠杆结构，通过杠杆把配重块的重力变成对镜体的支撑力。该系统的支撑点和分布互不影响，可以根据需要调整单个支撑点来改变局部区域变形量。常用作侧边支撑。

(4)空气或液压支撑系统

该系统采用气压或液压来代替机械作用力，用气(液)囊的表面产生面作用力，实现对镜体的约束和定位，在一定程度还能校正镜面局部变形。

(5)边缘支撑

大口径反射镜边缘支撑的重量较大，且温度影响难以消除。

背部多点支撑是目前解决离轴反射式光学系统大口径反射镜支撑的主要途径，领域内的设计师在胶结过渡套、固定自由度的解耦设计等方面开展了大量的工作，也取得了显著的成绩。但是在反射镜支撑孔加工工艺、支撑结构的装配工艺等方面难度大大增加。同时，零件的加工精度、装配工艺及步骤都直接影响最终的反射镜装配质量。

发明内容

为了解决大口径反射镜的无应力支撑。本发明提供了一种用于空间大口径反射镜支撑组件的设计思路，力图解决目前航天工程中大口径反射镜装校过程中的实际问题。

一种用于空间大口径反射镜的支撑组件包含了：支撑背板1，反射镜支撑筒2，锁紧螺母3，柔性垫片4。反射镜的轴向定位通过锁紧螺母3和反射镜支撑筒2前端的螺柱固定在反射镜支撑背板1上，锁紧螺母3与反射镜之间有柔性垫片4隔离，用于均匀锁紧压力。具体结构见附图1

本发明是中心支撑结构的一种拓展，在光学挡光率和光学反射镜面型精度要求之间寻求一个平衡。虽然增加了一定挡光面积，但可以有效降低反射镜的支撑难度；有效提高反射镜的装配后面型精度。同时也在一定程度上提高了整个组件的可靠性。

其工作原理是：采用机械限位的方式取代传统胶结结构。解决胶层的粘结附加应力和温度变化时，由于膨胀系数不同，胶层对镜体产生的附加力。同时，传统的机械限位，也一定程度上增加了整个组件抗力学环境试验的可靠性。锥套连接设计，使得反射镜支撑与反射镜内孔接触面积增加，反射镜的重量可以均布在支撑的更大面积上。有利于减小集中应力的产生。锥套和反射镜镜体之间不采用胶结，便于整个结构在装校过程中的拆装。

本发明的反射镜支撑组件具有以下优点：

1.本发明具有结构简单，可靠性高，满足空间恶略的环境应用的需求；

2.本发明有效地简化了支撑件的设计，充分利用空间，提高利用率；

3.本发明实施步骤简单，易于加工精度的保证。

本发明的反射镜支撑组件的缺点在于由于轴向锁紧螺母的存在，减小了有效通光面积。但是该面积是可控的，同时可以适当增加口径解决这方面问题。支撑方案的选择与光学遥感仪器对像质的要求决定。本发明主要针对大口径反射镜，同时对成像像质有较高要求的反射镜支撑组件的设计。

附图说明

图1是一种用于空间大口径反射镜支撑组件的具体设计的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图1予以详细描述，以便能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，而不是限定本发明的保护范围。

本发明的大口径反射镜支撑组件采用配合锥套(反射镜支撑2)，锁紧螺母 3轴向锁紧。大口径反射镜采用碳化硅材料，背部采用三点支撑方式。反射镜的3个安装孔与反射镜支撑2对研，反射镜安装孔与反射镜支撑2预装，修研反射镜支撑2，使得3个支撑面共面，共面度要求在2μm以内。反射镜背板1 与反射镜支撑的安装面加工的平面度要求在2μm以内。安装时，先将支撑2 安装于反射镜安装孔内，锁紧螺母3锁紧。再安装背板，带紧安装螺钉，松开锁紧螺母3，采用定力矩扳手，固定背板安装螺钉。最后拧紧锁紧螺母3。

Claims (3)

1.一种用于空间大口径反射镜支撑组件，包括支撑背板(1)，反射镜支撑筒(2)，锁紧螺母(3)，柔性垫片(4)，其特征在于：

反射镜的轴向定位通过锁紧螺母(3)和反射镜支撑筒(2)的前端螺柱固定在反射镜支撑背板(1)上，锁紧螺母与反射镜之间有柔性垫片(4)隔离，用于均匀施加锁紧压力。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间大口径反射镜支撑组件，其特征在于：反射镜支撑筒(2)采用同膨胀系数的4J32或4J36合金制成。

3.根据权利要求1所述的一种用于空间大口径反射镜支撑组件，其特征在于：反射镜背板(1)采用反射镜支撑筒同种材料或高组份的铝基碳化硅制成。

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