CN111458834B - 一种适用于空间环境的大口径变形镜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于空间环境的大口径变形镜装置，包括：超薄镜片、第一柔性接头、第二柔性接头、压电陶瓷PZT致动器、菱形支架子组件、第一衬套、第二衬套、底板和保护罩；其中，菱形支架子组件包括菱形支架和压电陶瓷致动器；菱形支架子组件的第一顶点通过第一柔性接头与超薄镜片相连接，菱形支架子组件的第二顶点通过第一衬套与底板相连接；压电陶瓷致动器的位移输出端与第二柔性接头相连接，第二柔性接头与超薄镜片相连接；压电陶瓷致动器的固定端与第二衬套与底板相连接；保护罩通过底部法兰和底板螺接。本发明可以在保证变形镜组件具有高刚度和抗发射环境的能力，并且在空间应用中具有高稳定性，能够满足空间中低频面型矫正能力的需求。
Description
技术领域
本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种适用于空间环境的大口径变形镜装置。
背景技术
空间主动以及自适应光学的应用需求越来越迫切，空间变形镜作为主动光学系统中的核心部件，对空间能动光学的工程化应用具有决定性作用。
变形镜在地面自适应光学中已经取得了广泛应用，比如在激光通讯、大口径天文观测望远镜等领域。变形镜在空间应用时，需要解决发射过程的抗力学问题以及空间环境下的稳定性等问题，目前地面应用的众多类型的变形镜目前难以推广到空间应用领域。目前，国外一些公司已经开展了空间变形镜的研究，比如美国波士顿机电公司的空间MEMES变形镜、法国Cilas公司的单压电类型的变形镜等。MEMS类型的变形镜具有大单元数优点，但是口径难以增加；单压类型的变形镜目前最大能做到直径250mm左右，但是由于镜片需要通过周边支撑，组件在径向方向的尺寸会非常大，对于径向空间一般都有严格限制的空间光学系统来说，大的径向尺寸通常会限制其应用。对于地面应用中常用的压电堆栈式变形镜，变形镜的组件刚度制约着变形镜在发射时候的能力。因此，对于未来满足空间环境的大口径变形镜(>200mm)，目前还没有成熟的方案和技术。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于空间环境的大口径变形镜装置，可以在保证变形镜组件具有高刚度和抗发射环境的能力，并且在空间应用中具有高稳定性，能够满足空间中低频面型矫正能力的需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种适用于空间环境的大口径变形镜装置，包括：超薄镜片、第一柔性接头、第二柔性接头、压电陶瓷PZT致动器、菱形支架子组件、第一衬套、第二衬套、底板和保护罩；其中，所述菱形支架子组件的数量为3个，3个菱形支架子组件在超薄镜片背部圆周呈120°均布；所述菱形支架子组件包括菱形支架和压电陶瓷致动器，其中，所述压电陶瓷致动器的一端与菱形支架的第一顶点相连接，所述压电陶瓷致动器的另一端与菱形支架的第二顶点相连接；第一顶点与第二顶点的连线与压电陶瓷PZT致动器的高度方向平行；所述菱形支架子组件的第一顶点通过第一柔性接头与所述超薄镜片相连接，所述菱形支架子组件的第二顶点通过第一衬套与所述底板相连接；所述压电陶瓷致动器的位移输出端与第二柔性接头相连接，所述第二柔性接头与所述超薄镜片相连接；所述压电陶瓷致动器的固定端与第二衬套与所述底板相连接；保护罩通过底部法兰和底板螺接。
上述适用于空间环境的大口径变形镜装置中，所述压电陶瓷PZT致动器的数量为n个，其排布方式为六角形。
上述适用于空间环境的大口径变形镜装置中，所述压电陶瓷PZT致动器的数量n、所述压电陶瓷PZT致动器的致动器变形量S和所述压电陶瓷PZT致动器的一阶频率f满足以下公式：
其中，R是所述压电陶瓷PZT致动器的半径；T为超薄镜片的厚度：D为超薄镜片的直径。
上述适用于空间环境的大口径变形镜装置中，所述第一衬套与所述底板胶接，所述第二衬套与所述底板胶接。
上述适用于空间环境的大口径变形镜装置中，所述超薄镜片与第一柔性接头通过滴胶方式相连接，所述超薄镜片与第二柔性接头通过滴胶方式相连接。
上述适用于空间环境的大口径变形镜装置中，第一柔性接头和第二柔性接头的材料热涨系数和超薄镜片一致。
上述适用于空间环境的大口径变形镜装置中，所述超薄镜片的口径大于100mm，厚度为0.5～5mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过设计了PZT压电致动器的连接方式和菱形支架连接两种方式，克服了大口径变形镜支撑技术中高精度和高刚度的矛盾，满足发射阶段和在轨运行的环境要求(力学、热等)；
(2)本发明通过致动器与变形镜之间增加柔性连接块胶接设计，可通过改变连接块直径优化胶接接触面积，避免受限于致动器选型问题；
(3)本发明通过引入胶接连接设计，包括柔性块与镜面的胶接以及衬套和底板的胶接连接，减小致动器在光轴方向的长度误差的影响，提高了初始面型；
(4)本发明通过建立了基于结构参数的变形镜有限元分析模型，形成了驱动阵列排布的结构参数设计方法。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的适用于空间环境的大口径变形镜装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的适用于空间环境的大口径变形镜装置中不带保护罩的结构示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的菱形支架子组件结构示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的压电致动器致动器结构示意图；；
图4是本发明实施例提供的变形镜装置衬套和底座粘接连接示意图；
图5是本发明实施例提供的变形镜装置装配装置示意图；
图6是本发明实施例提供的变形镜装置致动器的六角形分布示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。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。
图1是本发明实施例提供的适用于空间环境的大口径变形镜装置的结构示意图；图2是本发明实施例提供的适用于空间环境的大口径变形镜装置中不带保护罩的结构示意图。如图1和图2所示，该适用于空间环境的大口径变形镜装置包括：超薄镜片1、第一柔性接头21、第二柔性接头22、压电陶瓷PZT致动器3、菱形支架子组件4、第一衬套51、第二衬套52、底板6和保护罩7；其中，
所述菱形支架子组件4的数量为3个，3个菱形支架子组件4在超薄镜片1背部圆周呈120°均布；所述菱形支架子组件4包括菱形支架41和压电陶瓷致动器42，其中，所述压电陶瓷致动器42的一端与菱形支架41的第一顶点411相连接，所述压电陶瓷致动器42的另一端与菱形支架41的第二顶点412相连接；第一顶点411与第二顶点412的连线与压电陶瓷PZT致动器3的高度方向平行；所述菱形支架子组件4的第一顶点411通过第一柔性接头21与所述超薄镜片1相连接，所述菱形支架子组件4的第二顶点412通过第一衬套51与所述底板6相连接；所述压电陶瓷致动器3的位移输出端与第二柔性接头22相连接，所述第二柔性接头22与所述超薄镜片1相连接；所述压电陶瓷致动器3的固定端与第二衬套52与所述底板6相连接；保护罩7通过底部法兰和底板6螺接。
如图1所示，本发明空间变形镜装置主要包括超薄镜片1、柔性接头、压电陶瓷PZT致动器3、菱形支架子组件4、衬套以及底板6构成。
超薄镜片1背部通过光机结构胶和柔性接头的粘接平面胶接。柔性接头的中间局部削弱，保证传递到镜面的弯矩最小；另一端为外螺纹副，和压电致动器3、菱形支架子组件4的位移输出端的螺纹孔连接。
如图2所示，压电陶瓷PZT致动器3和菱形支架子组件4均安装在底板6上。其中压电陶瓷PZT致动器3包含16组，等间距均布在底板6上。菱形支架子组件4包含3组，在超薄镜面背部沿着外周120°切向均布。
如图3(a)所示，菱形支架子组件4由菱形支架41和压电陶瓷致动器42构成。菱形支架形状为正方形金属薄片构成，在四个角点结构增厚，其中两个对立的角点和压电致动器42连接，另外两个角点一个作为固定端和第一衬套51连接，另一端作为位移输出端和第一柔性接头21连接。压电致动器42的横向运动可以使得菱形支架在输出端产生微小位移。
如图3(b)所示，压电陶瓷PZT致动器3位移输出端和第二柔性接头22外螺纹端连接，另一端为固定端，和第二衬套52连接。第二衬套52通过胶粘剂和底板6连接。
压电陶瓷PZT致动器3的数量为n个，其排布方式为六角形。
大口径变形镜装置中致动器排列方式分为方形和六角形两种,本实施例采用重构效果更好的六角形排布。
影响变形镜校正能力的参数主要有致动器变形量S，校正自由度Ⅳ,致动器数目n，和一阶频率f。一般要求S大于15um，Ⅳ大于10。
R是压电陶瓷PZT致动器3的半径；T代表变形镜厚度：D代表变形镜直径。
通过以上3项关系式，变形镜的致动器变形量S，致动器数目n和一阶频率f三者之间存在着相互制约的关系。若采用传统的周边固支或简支方案只能牺牲其中一项性能来提高另外两项性能。为此设计了一种组合式排布形式，采用六角形排布，但具体排布方式难以用简单的理论模型进行分析。为此，通过建立了有限元分析模型，对比分析出图6所示的分布形状。
超薄镜片材料一般选择具有低模量和低膨胀系数的材料，比如ULE、Zerodur等。柔性连接块材料选择和镜片热涨系数匹配的材料，比如殷钢4J32B等。底板和衬套材料一般选用钛合金。柔性转接块和镜片的胶接选用光机结构胶比如SE-14-80。衬套和底板之间的胶接剂选用低模量的光机结构胶。压电致动器选择可以选择能够满足空间环境的具有预压封装的致动器。
图4和图5主要展示的为变形镜组件的装配方式和方法，具体描述如下：首先，在进行装配前，确认超薄镜片1膜层和背部胶接面是否完好，并进行裸镜面形检测，确保面形RMS值优于1/50λ(λ＝632.8nm)(根据面型矫正需求，这个数值可以适当调整)。第二，安装框91内部凹槽朝上水平放置，把超薄镜片1放置在安装框91凹槽内。安装三个压块92。调整三个径向调节螺丝93，保证镜片在水平面内的位置精度；调整三个轴向调节螺丝94的压力大小，在干涉仪下实施检测，保证相对裸镜状态面形变化量不大于1/1000λ。第三，把致动器42位移输出端的外螺纹涂抹螺纹胶并装配到菱形支架41内螺纹孔内；通过垫片调整致动器42固定端和菱形支架41致动器安装端的间隙，然后通过螺栓连接。完成的菱形支架子组件如图2所示。然后，第一柔性接头21和第一衬套51的外螺纹面涂螺纹胶，分别和菱形支架子组件4的位移输出端以及固定端的内螺纹孔连接。完成上述三套子组件转配备用。第四，第二柔性接头22和第二衬套52的外螺纹面涂螺纹胶，分别和压电致动器3的位移输出端、固定端的内螺纹孔连接。根据实际设计数量完成上述装配件备用。第五，把底板6通过三个安装耳上的螺纹孔和过渡板81连接，然后，过渡板81在下水平放置在大理石台面上。第六，把步骤三和四完成的预装配件上的衬套，由中间开始沿径向顺序放入底板上的通孔内。把三个立柱82安装到底板的三个安装耳中间的螺纹孔内。然后，在每个柔性接头的端面放置厚度约0.005mm的薄片。把步骤二完成的组件镜面朝上放置在三个立柱82上，紧固三个立柱82上端的螺钉。锁紧力矩2.5～4Nm具体数值根据最终设计的胶版厚度确定。第七，把上述组件安装到干涉仪上，调整过渡板上的调整螺钉，使得镜面面形达到最佳。然后在衬套孔内注入光机结构胶Milbond(可以通过计算选用其他同类胶接剂，需要保证在最恶劣情况下胶接剂安全系数大于3.5)。保持上述状态进行固化，不小于5日(选用其他胶接剂时时间需要根据其手册和用量适当调整)。第八，完成上述固化后，把过渡板一侧朝下放置在大理石台面，拆卸三个立柱上端的紧固螺钉，取下超薄镜片1及镜框2组件、以及垫片。第九，保持上述状态，在柔性接头2端面点光机结构胶SE-14-80(也可以选用其他类型胶接剂，需要保证最恶劣工况下安全系数大于4)。点胶过程要控制在3分钟内，并保证每个胶滴的体积误差不大于5％，胶滴在柔性接头中心的横向位置偏差不大于10％。每个胶滴的体积有胶接面积和设计厚度确定。上述胶接操作过程通过机器自动化操作最佳。第十，完成点胶后，把卸下的超薄镜片1和镜框组件x重新放置在三个立柱82上，然后紧固三个立柱上端的三个螺钉。紧固力矩需要比步骤六中的数量大约8-15％。第十一，保持上述状态进行固化，时间不小于5日。第十二，完成辅助工装的拆卸，先拆除镜框压块、导向立柱上端紧固螺钉，取下镜框,然后，从底板上取下三个立柱82，最后，拆除过渡板81和底板上的连接螺钉。
超薄镜片的形状一般为圆形，根据光学系统要求也可以设计成其他形状；镜片口径适于100mm以上的镜片，口径小于100mm时候，由于压电陶瓷致动器最小直径的限制，致动器单元数会降低，从而使得矫正能力退化。镜片的绝对厚度一般为0.5～5mm，按径厚比评价一般应大于100:1。较小的厚度会降低对驱动能力的需求，提高胶接可靠性，但是会增加镜片制备和装配的难度，因此需要根据需要选择。
光机结构胶接剂的选择需要满足空间放气和粒子辐射要求，具有较小收缩比(一般要小于1.5％)，胶接强度要尽可能高，至少大于5MPa。
压电陶瓷致动器可以选择满足空间环境要求的商业级的具有预压的封装好的产品，接头连接形式根据选择的产品可进行适当修改。也可以通过压电堆栈设计具体的预压致动器。在尺寸和推力满足要求的情况，优选具有掉电自锁功能的压电致动器结构。
菱形支架四个边的厚度要尽量薄，一般去厚度0.5～2.5mm。组件的横向震动频率需要通过优化菱形支架的宽度和压电致动器的轴向刚度来实现。根据不同需要，菱形支架形状也可以采用长方形形状，即放大或缩小位移输出。
本实施例可以在保证变形镜组件具有高刚度和抗发射环境的能力，并且在空间应用中具有高稳定性，能够满足空间中低频面型矫正能力的需求。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (1)
1.一种适用于空间环境的大口径变形镜装置，其特征在于包括：超薄镜片(1)、第一柔性接头(21)、第二柔性接头(22)、压电陶瓷PZT致动器(3)、菱形支架子组件(4)、第一衬套(51)、第二衬套(52)、底板(6)和保护罩(7)；其中，
所述菱形支架子组件(4)的数量为3个，3个菱形支架子组件(4)在超薄镜片(1)背部圆周呈120°均布；
所述菱形支架子组件(4)包括菱形支架(41)和压电陶瓷致动器(42)，其中，所述压电陶瓷致动器(42)的一端与菱形支架(41)的第一顶点(411)相连接，所述压电陶瓷致动器(42)的另一端与菱形支架(41)的第二顶点(412)相连接；第一顶点(411)与第二顶点(412)的连线与压电陶瓷PZT致动器(3)的高度方向平行；
所述菱形支架子组件(4)的第一顶点(411)通过第一柔性接头(21)与所述超薄镜片(1)相连接，所述菱形支架子组件(4)的第二顶点(412)通过第一衬套(51)与所述底板(6)相连接；
所述压电陶瓷PZT致动器(3)的位移输出端与第二柔性接头(22)相连接，所述第二柔性接头(22)与所述超薄镜片(1)相连接；
所述压电陶瓷PZT致动器(3)的固定端与第二衬套(52)与所述底板(6)相连接；
保护罩(7)通过底部法兰和底板(6)螺接；
所述压电陶瓷PZT致动器(3)的数量n、所述压电陶瓷PZT致动器(3)的致动器变形量S和所述压电陶瓷PZT致动器(3)的一阶频率f满足以下公式：
其中，R是所述压电陶瓷PZT致动器(3)的半径；T为超薄镜片(1)的厚度：D为超薄镜片(1)的直径；
所述压电陶瓷PZT致动器(3)的数量为n个，其排布方式为六角形；
所述第一衬套(51)与所述底板(6)胶接，所述第二衬套(52)与所述底板(6)胶接；
所述超薄镜片(1)与第一柔性接头(21)通过滴胶方式相连接，所述超薄镜片(1)与第二柔性接头(22)通过滴胶方式相连接；
第一柔性接头(21)和第二柔性接头(22)的材料热涨系数和超薄镜片(1)一致；
所述超薄镜片(1)的口径大于100mm，厚度为0.5～5mm。
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