CN112130277A - 适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构 - Google Patents

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Abstract

适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，涉及空间光学遥感技术领域，解决现有超薄空间相机反射镜在重力载荷、温度载荷和装配容差三种工况下面型精度退化较大的问题，包括固定座、锥形环、刚性支撑梁和S型柔性铰链；本发明用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，集成了传统的锥套和柔性支撑结构，一体化的设计能够使得柔性中心能够和反射镜质心处于同一平面，能够很大程度上的削弱重力载荷对反射镜面型精度的影响。同时，具有较轻的质量和较简化的装配流程。另外，在超薄反射镜锥形盲孔狭小的设计空间内采用了S型柔性铰链的设计，可以通过对S型柔性铰链的尺寸参数调整来削弱温度载荷和装配容差对反射镜面型精度的影响。

Description

适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构
技术领域
本发明涉及空间光学遥感技术领域，具体涉及一种适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构。
背景技术
空间相机是空间光学遥感技术的关键应用之一，而反射镜更是空间相机的核心组成部分，其性能表现对成像质量优劣起着决定性作用。重力载荷是反射镜面型精度的最主要影响因素，虽然反射镜是在微重力条件下使用的，但是反射镜的全部检测工作是在地面实验室中完成的，重力作用下的镜体运动与变形均会在工作轨道中恢复，从而造成反射镜的性能退化。为了最大程度削弱这一影响，最有效的方法之一就是使反射镜的质心与支撑结构的柔性中心处于同一平面上。
温度载荷和装配容差也会一定程度上影响反射镜的性能表现。一方面，反射镜所处的环境温度都难以完全达到设计时的参考温度且实际温度载荷是存在一定梯度的，当具有温度变化载荷时反射镜会根据自身的热膨胀系数发生弹性变形。另一方面，尽管空间相机的关键组件配合部分的机械公差会受到严格的控制，但是安装面在加工到一定精度以后很难再继续改善，从而形成了施加在支撑结构配合面上的装配容差，由装配容差引起的力和力矩会产生过大的应力并使反射镜弹性变形。这两种载荷所引起的反射镜弹性变形都会使反射镜发生面型精度退化，因此需要在柔性支撑上设置合理的柔性环节来抵消温度载荷和装配容差对反射镜的影响。
现代空间相机所采用的反射镜往往是超薄的，这种反射镜的特点之一是其质心平面非常接近镜面位置，这就给支撑结构的设计带来了极大的挑战。一方面，传统反射镜支撑结构通常由锥套和柔性结构两部分装配而成，对于超薄反射镜而言，由于锥套的存在柔性结构的柔性中心很难与反射镜质心设置到同一平面，且这种形式自身重量较大不利于整机减重。另一方面，超薄反射镜内部空间较小，简单的柔性结构难以抵消上述温度载荷和装配容差对反射镜的影响，因此需要设计合理的柔性结构以满足反射镜的使用需求。
与本发明最为接近的已有技术是发明专利，申请号：201710398338.0，名称：一种轻型反射镜柔性支撑装置，其包括柔性支撑单元,在轻型反射镜背部同一圆周均布三个支撑孔,每个柔性支撑单元通过支撑孔与小型超轻反射镜连接柔性支撑单元与支撑孔配合胶粘固定柔性支撑单元包括顶部粘接环、环内支撑结构、第一柔性片、过渡连接结构、第二柔性片和底部安装座环内支撑结构的边缘与顶部粘接环连接,环内支撑结构的下端与第一柔性片连接第二柔性片的上端通过过渡连接结构与第一柔性片连接,第二柔性片的下端与底部安装座连接本发明装置减小了柔性支撑结构的体积,降低了支撑结构的重量。
上述柔性支撑结构的缺点在于：
a)柔性环节由第一柔性片和第二柔性片组成，装配容差所带来的力和力矩往往是作用在沿反射镜镜面法向的，因此这种柔性结构难以抵消装配容差所带来的影响。
b)虽然柔性片能够一定程度的抵消均匀温度载荷的影响，但是柔性片这种单一的柔性结构的可设计变量较少，难以应对温度载荷存在梯度的情况。
c)第一柔性片与第二柔性片所组成的柔性结构在顶部粘接环之上，反射镜的质心往往靠近镜面位置，而该发明的结构在靠近镜面位置设计顶部粘接环，这种结构形式使得柔性中心与反射镜质心不处在同一平面内，导致重力载荷下反射镜体上存在额外的力矩作用，从而影响到反射镜的面型精度。
发明内容
本发明为解决现有超薄空间相机反射镜在重力载荷、温度载荷和装配容差三种工况下面型精度退化较大的问题，提供一种适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构。
适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，包括固定座、锥形环和刚性支撑梁；所述刚性支撑梁、锥形环和所述固定座的中心线同轴；
还包括S型柔性铰链；所述锥形环包括外锥形面和内圆柱面；所述刚性支撑梁的上部与所述固定座连接，下部同时与三个S型柔性铰链的底部连接，所述S型柔性铰链的顶部与锥形环的内圆柱面连接；所述外锥形面与反射镜的锥形盲孔的连接；所述固定座包括安装环和环内支撑结构；所述安装环上留有螺纹孔和注胶槽；所述安装环通过所述述螺纹孔和注胶槽与空间相机的基板装配与定位。
本发明的有益效果：
本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，集成了传统的锥套和柔性支撑结构，一体化的设计能够使得柔性中心能够和反射镜质心处于同一平面，能够很大程度上的削弱重力载荷对反射镜面型精度的影响。同时，具有较轻的质量和较简化的装配流程。
本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，在狭小的设计空间内采用了S型柔性铰链的设计，该柔性结构能够良好的释放来自多个方向的力和力矩，因此可以通过对S型柔性铰链的尺寸参数调整来削弱温度载荷对反射镜面型精度的影响。
本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，S型柔性铰链能够释放来自反射镜镜面法向的力和力矩，因此装配容差所带来的载荷可以通过S型柔性铰链充分释放。
本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构将柔性环节设计到与反射镜粘接位置下方，能够接近反射镜的镜面位置从而与反射镜的质心平面对齐，能够避免反射镜在重力载荷下承受额外的力和力矩，保证了反射镜进入微重力环境后的面型精度。
附图说明
图1为本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构轴侧示意图；
图2为本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构剖切示意图；
图3为本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构正视示意图；
图4为本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构中S型柔性铰链局部放大图；
图5为本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构与反射镜的装配轴侧示意图；
图6为本发明的用于空间相机反射镜的柔性支撑结构与反射镜的装配剖切示意图；
图中：1、固定座，2、锥形环，3、刚性支撑梁，4-S型柔性铰链，5-反射镜；101、安装环，102、环内支撑结构，103、螺纹孔，104、注胶槽；201、外锥形面，202、内圆柱面；401、柔性铰链，402、柔性槽Ⅰ，403、柔性槽Ⅱ，404、柔性中心；501、锥形盲孔，502、质心平面。
具体实施方式
结合图1至图6说明本实施方式，适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，包括固定座1、锥形环2、刚性支撑梁3和S型柔性铰链4；所述刚性支撑梁3、锥形环2和所述固定座1的中心线同轴；
所述固定座1由安装环101和环内支撑结构102组成，所述安装环101上加工有所述螺纹孔103与所述注胶槽104，螺纹孔103用于与空间相机基板进行螺纹连接，注胶槽104用于与反射镜5进行胶接固定。
所述锥形环2包括外锥形面201和内圆柱面202，所述外锥形面201具有一定的锥度以便于与反射镜锥形盲孔501进行装配定位，所述内圆柱面202用于连接柔性铰链401。所述外锥形面201和反射镜锥形盲孔501的锥度均为1:18以便于进行装配定位。
本实施方式中，所述刚性支撑梁3为中空结构，所述S型柔性铰链4包括柔性铰链401、柔性槽Ⅰ402和柔性槽Ⅱ403；所述柔性铰链401具有S型弯折且形成了两段柔性槽Ⅰ402和柔性槽Ⅱ403；S型柔性铰链4存在一个柔性中心404。所述刚性支撑梁3的上部与所述固定座1的环内支撑结构102连接，下部同时与三个S型柔性铰链4底部的柔性铰链401连接，所述S型柔性铰链4的顶部与锥形环2的内圆柱面202连接；所述三个S型柔性铰链4呈120°分布；所述S型柔性铰链4处于所述固定座1下方。
结合图5-图6说明本实施方式，本实施方式中的反射镜5包括至少三个锥形盲孔501(锥形盲孔的数量与柔性支撑结构的数量一致)，反射镜5存在一个质心平面502；所述反射镜5通过锥形盲孔501与本发明所述外锥形面201具有尺寸相同的配合面且能够通过胶接固定，已到达装配的目的。
本实施方式中，所述固定座1与空间相机基板连接处于约束状态，所述锥形环2与所述反射镜5连接并受到反射镜5自身的重力作用，所述刚性支撑梁3由于自身刚度较大能够保持自身极小的变形量，此时S型柔性铰链4受到力的作用发生较大变形。所述S型柔性铰链4处在整体结构最下方，能够深入到锥形盲孔501底部，以实现S型柔性铰链4的柔性中心404与反射镜5的质心平面502处于同一平面上。这样，重力载荷就不会在反射镜5上形成额外的力矩，从而避免了重力载荷引起的面型精度恶化。温度载荷会引起反射镜5自身发生热膨胀变形，装配容差会在固定座1的安装环101上产生强制位移；S型柔性铰链4会根据不同方向传来的力的作用产生相应的变形，从而有效的抵消外部因素对反射镜5的面型精度产生的影响。
本实施方式所述的固定座1、锥形环2、刚性支撑梁3和S型柔性铰链4的尺寸可以根据不同的反射镜进行设计调整；面对上述的重力载荷、温度载荷和装配容差，针对不同尺寸和材料的反射镜合理的设计调整本发明是能够适用且有效的。所述S型柔性铰链4可以根据实际使用情况进行参数优化。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。

Claims (6)

1.适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，包括固定座(1)、锥形环(2)和刚性支撑梁(3)；所述刚性支撑梁(3)、锥形环(2)和固定座(1)的中心线同轴；
其特征是：还包括S型柔性铰链(4)；所述锥形环(2)包括外锥形面(201)和内圆柱面(202)；
所述刚性支撑梁(3)的上部与所述固定座(1)连接，下部同时与三个S型柔性铰链(4)的底部连接，所述S型柔性铰链(4)的顶部与锥形环(2)的内圆柱面(202)连接；
所述外锥形面(201)与反射镜(5)的锥形盲孔(501)的连接；
所述固定座(1)包括安装环(101)和环内支撑结构(102)；所述安装环(101)上留有螺纹孔(103)和注胶槽(104)；所述安装环(101)通过所述述螺纹孔(103和注胶槽(104)与空间相机的基板装配与定位。
2.根据权利要求1所述的适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，其特征在于：所述S型柔性铰链(4)包括柔性铰链(401)、柔性槽Ⅰ(402)和柔性槽Ⅱ(403)；三个S型柔性铰链(4)呈120°分布；所述S型柔性铰链(4)处于所述固定座(1)下方。
3.根据权利要求1所述的适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，其特征在于：所述刚性支撑梁(3)为中空结构。
4.根据权利要求1所述的适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，其特征在于：所述S型柔性铰链(4)深入到锥形盲孔(501)底部，实现S型柔性铰链(4)的柔性中心(404)与反射镜(5)的质心平面(502)处于同一平面上。
5.根据权利要求1所述的适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，其特征在于：所述固定座(1)处于所述柔性支撑结构顶部；所述S型柔性铰链(4)位于所述柔性支撑结构底部。
6.根据权利要求1所述的适用于空间相机反射镜的柔性支撑结构，其特征在于：所述外锥形面(201)和反射镜锥形盲孔(501)的锥度均为1:18以便于进行装配定位。
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