CN113534437B - 一种超轻量化的望远镜系统 - Google Patents

Abstract

一种超轻量化的望远镜系统，涉及望远镜结构设计技术领域，解决面对可便携使用、快速部署的超轻量化望远镜系统极致的轻量化设计问题，本发明利用碳纤维材料轻质、高强的特性，辅以镁铝合金金属件重量较轻、可机械加工螺纹连接孔来弥补碳纤维材料在连接方面只能加工光孔的缺点，二者结合再通过合理优化的设计，并考虑装调，最终形成一种新材料创新应用的框架式望远镜结构，极大的减轻了系统重量，完成了望远镜系统极致的轻量化应用，采用本发明框架式主体结构的相同望远镜，重量不大于7kg。本发明已经投入样机的制造使用，经过了实际的实验测试与使用效果评估，实现超轻量化设计。

Description

一种超轻量化的望远镜系统

技术领域

本发明涉及望远镜结构设计技术领域，具体涉及一种超轻量化的望远镜系统。

背景技术

随着地基望远镜技术的发展，望远镜的口径越来越大，系统重量也随之增大，越大的光学口径带来更佳的集光能力，系统的探测能力也更优。但是庞大的系统体积以及重量，却并不便于系统的转移、机动以及快速响应应用。在这些应用场景中，满足光学指标以及系统能力的前提下，轻量化、集成化设计以达到系统重量轻、体积紧凑进而可以便携式应用的需求应运而生。近年来，超轻量化望远镜技术受到越来越多的关注，技术发展较快。其旨在于通过运用轻型反射镜材料以及创新的轻量化结构设计，通过有针对性设计的光学系统，来打造可便携、可快速响应、快速部署的超轻量化望远镜系统。例如采用碳纤维作为望远镜的结构组件以及反射镜的材料所打造的全碳纤维望远镜，极大的减轻系统的重量；同时随着碳化硅反射镜加工工艺的进步，精度更高、轻量化率更高的碳化硅反射镜及支撑结构一体化技术可应用于望远镜中，促进了轻量化望远镜技术的发展。目前光学反射镜的轻量化研究较为系统，也取得了一定的成绩。在望远镜系统中，光学材料所占的比重，往往远小于系统的机械结构，作为重量所占比重更大的望远镜主体结构，对其进行轻量化，甚至超轻量化设计，会更有意义。

现有的口径150mm-400mm的典型卡塞格林式同轴主次镜反射式望远镜，其主体结构设计通常采用金属薄壁式圆筒，一般为铸铝材质，主镜、次镜组件分别在镜筒两端进行连接。采用铸铝金属圆筒的经典望远镜，经过时间的检验以及用户的长期使用，可靠稳定，耐冲击性以及环境适应性良好。

目前，即使采用较轻的铝合金材料，如现有的望远镜采用金属薄壁圆柱镜筒的设计，虽然可靠性、环境适应性较好，但在面临便携式应用或者对机动性要求较高的应用场景时，其重量依然过重，即使经过一定的轻量化优化，通常150mm口径的望远镜镜筒，重量也在20-30kg左右，400mm口径的望远镜镜筒，重量甚至达到90-120kg左右，重量较大不利于转址、维修、快速响应部署。

因此，针对现有的望远镜主体结构较为笨重的缺点，本发明的目的是基于现有的材料、结构技术，并考虑装调，设计一种适用于超轻量化望远镜的框架式主体结构，以该主体结构为基础，适配不同的光学系统以及反射镜组件，即可完成轻型望远镜系统的快速设计。

发明内容

本发明为了解决面对可便携使用、快速部署的超轻量化望远镜系统极致的轻量化设计问题，提供一种超轻量化的望远镜系统。

一种超轻量化的望远镜系统，采用基于碳纤维板材以及镁铝合金金属件构成的拼接框架式结构，所述框架式结构包括主镜组件、次镜组件以及桁架组件；所述主镜组件与次镜组件通过桁架组件连接；

所述主镜组件包括第一主镜碳纤维板、第二主镜碳纤维板、主连接件、辅助连接件和主镜支撑组件；

所述第一主镜碳纤维板和第二主镜碳纤维板通过间隔布置的主连接件和辅助连接件连接，所述主连接件和辅助连接件之间布置蒙皮；

在所述第二主镜碳纤维板的一侧通过螺钉将桁架杆连接座穿过第二主镜碳纤维板上的相应孔位，与主连接件连接；

在第一主镜碳纤维板的一侧安装有主镜支撑组件，穿过所述第一碳纤维板上的光孔与分别与主连接件、辅助连接件上对应的螺纹孔连接。

本发明的有益效果：本发明的一种超轻量化设计的望远镜系统，利用碳纤维材料轻质、高强的特性，辅以镁铝合金金属件重量较轻、可机械加工螺纹连接孔来弥补碳纤维材料在连接方面只能加工光孔的缺点，二者结合再通过合理优化的设计，并考虑装调，最终形成一种新材料创新应用的框架式望远镜结构，相比较现有广泛运用的金属薄壁筒方案，本发明极大的减轻了系统重量，完成了望远镜系统极致的轻量化应用；以200mm口径典型望远镜系统为例，金属镜筒方案重量通常不小于20kg，而采用本发明框架式主体结构的相同望远镜，重量不大于7kg。本发明的一种超轻量化设计的望远镜系统，可极大的减轻望远镜系统的重量，实现超轻量化设计。

本发明已经投入样机的制造使用，经过了实际的实验测试与使用效果评估，200mm口径卡塞格林式望远镜系统重不大于7kg。

附图说明

图1为本发明提出的一种超轻量化设计的望远镜系统的整体示意图；

图2为本发明系统中的次镜组件详细示意图；

图3为本发明系统中的主镜组件详细示意图；

图4为本发明系统中的桁架组件详细示意图；

图5为桁架杆连接座详细示意图；

图6为桁架杆详细示意图；

图7为主连接件详细示意图；

图8为次镜连接座详细示意图。

图中：1、次镜组件，11、叶片，12、滑动块，13、次镜支撑组件，14、次镜连接座，141、盲孔，142、通孔，143-螺纹孔，15、旋紧螺母，16、第一次镜碳纤维板，17、第二次镜碳纤维板，18、桁架杆连接座，181、连接座，182、锁紧盖，2、主镜组件，21、第一主镜碳纤维板，22、第二主镜碳纤维板，23、主连接件，231、外侧螺纹孔，232、内侧螺纹孔，233、外排螺纹孔，234、内排螺纹孔，24、辅助连接件，25、主镜支撑组件，26、蒙皮，3、桁架组件，31、桁架杆，311、碳纤维薄壁杆，312、过渡金属球头。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

需要说明的是，本文所使用的术语“上”、“之间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面参照附图，结合具体实施例，对本发明做进一步说明。

结合图1至图8说明本实施方式，一种超轻量化设计的望远镜系统，采用基于碳纤维板材以及镁铝合金金属件构成的拼接框架式结构，两块碳纤维板材中间通过镁铝合金连接，连接螺钉穿过碳纤维板材咬合在镁铝合金的螺纹孔内，以解决碳纤维材料无法加工螺纹孔连接的问题。框架式主体结构分为主镜组件2、次镜组件1以及桁架组件3。

结合图1、3和7说明本实施方式，所述主镜组件2与次镜组件1通过桁架组件3连接；

所述主镜组件2包括第一主镜碳纤维板21、第二主镜碳纤维板22、主连接件23、辅助连接件24和主镜支撑组件25；

所述第一主镜碳纤维板21和第二主镜碳纤维板22通过间隔布置的主连接件23和辅助连接件24连接，所述主连接件23和辅助连接件24之间布置蒙皮26；

在所述第二主镜碳纤维板22的一侧通过螺钉将桁架杆连接座18穿过第二主镜碳纤维板22上的相应孔位，与主连接件23连接；

在第一主镜碳纤维板21的一侧安装有主镜支撑组件25，穿过所述第一碳纤维板21上的光孔与分别与主连接件23、辅助连接件24上对应的螺纹孔连接。

所述主连接件23和辅助连接件24均为C字型结构，所述主连接件23的一端为长台阶，另一端为短台阶；短台阶一侧方向朝向次镜，台阶上有并排的四个螺纹孔，外侧螺纹孔231用于连接第二主镜碳纤维板22，内侧螺纹孔232用于连接桁架杆连接座18；长台阶一侧具有内外两排螺纹孔，外排螺纹孔233连接第一主镜碳纤维板21，内排螺纹孔234连接主镜支撑组件25；此设计充分利用碳纤维板材中间的金属块作为螺纹连接部分。同时在望远镜中心垂面的45°正交方向上，还均布有四块较小尺寸的框架辅助连接件24，设计与主连接件23思路相同，仅尺寸变窄，除额外加强连接稳定性外，此辅助连接件24，同样可作为采用三镜折转光路光学系统中，三镜组件安装基座的连接部分。

所述的框架式主镜组件，在碳纤维板材之间的金属主连接件23、辅助连接件24中间的空间上，具有薄铝合金片的蒙皮26，蒙皮26与相应的部件侧边的螺纹孔相连接，起保护主镜的作用。

本实施方式中，所述第一主镜碳纤维板21与第二主镜碳纤维板22，采用T700材料。所述主连接件23，采用镁铝合金材料。所述辅助连接件24，采用镁铝合金材料。

所述桁架杆连接座18，采用镁铝合金材料。所述蒙皮26，采用铝合金材料。

所述主镜组件2的前后两部分为正八边形形状、中心圆形开孔的第一主镜碳纤维板21和第二主镜碳纤维板22的厚度均为6mm。

结合图1、2和8说明本实施方式，所述次镜组件1同样采用碳纤维板材、镁铝合金金属件的框架式结构，所述次镜组件1包括四组叶片11、滑动块12、次镜支撑组件13第一次镜碳纤维板16和第二次镜碳纤维板17；

所述第一次镜碳纤维板16和第二次镜碳纤维板17通过次镜连接座14连接；

在四组叶片11外端通过螺钉分别连接滑动块12，并将叶片11内端与装调好的次镜支撑组件13在相应位置通过螺钉相连接；

所述次镜支撑组件13与次镜连接座14通过四片金属叶片11连接，叶片张紧力可调整，滑动块12在次镜连接座14内部径向滑动，通过旋紧螺母15，带动滑动块12径向移动，达到调节叶片11张紧力的目的。

所述的次镜组件1碳纤维板材为圆环形形状，碳纤维板材厚度5mm；

所述次镜连接座14为中空的长方体，截面为C型，开口一侧短边距离与金属叶片11外端连接的滑动块12相适配，间隙配合0.02mm-0.05mm，开口另一侧中心处具有一盲孔141及通孔142，盲孔141尺寸与旋紧螺母15相适配，间隙配合0.03mm-0.08mm；在次镜连接座14的上表面处，具有两个贯通的螺纹孔143，所述螺纹孔143一方面作为碳纤维板的连接孔，另一方面作为桁架杆连接座18的连接孔，螺钉穿过桁架杆连接座18上的光孔以及碳纤维板的光孔，将二者同时与次镜连接座14相连接。

所述的叶片11共有四片，均布在次镜支撑组件13四周，一端与次镜支撑组件13相连接，另一端与滑动块12通过螺钉相连接，叶片厚1.5mm，滑动块12中间开槽1.5mm，开槽两侧分别为沉头光孔、螺纹孔，以便通过螺钉夹紧叶片11。

本实施方式中，所述碳纤维板材，采用T700材料；所述叶片11，采用Q235钢材材料；所述滑动块12，采用45号钢材材料；所述旋紧螺母15，采用锡青铜合金材料；

所述次镜连接座14，采用镁铝合金材料；所述桁架杆连接座18，采用镁铝合金材料。

结合图3、5和6说明本实施方式，主次镜之间采用桁架组件3来进行稳定的连接。采用桁架杆31可进一步轻量化，共有8根桁架杆31，每根桁架杆31两端具有两个粘接的过渡金属球头312，共有8组桁架杆连接座18。

所述桁架杆31为中间采用碳纤维薄壁杆311，两端镶嵌粘接过渡金属球头312的组合形式，碳纤维薄壁杆311壁厚3mm，过渡金属球头312圆柱部分嵌入碳纤维薄壁杆311内直至端面与台阶紧靠，用结构胶粘牢。

所述的过渡金属球头312为镁铝合金材质，下端圆柱部分上面的台阶采用大倒角设计，防止与桁架杆连接座18连接时结构干扰。

所述的桁架杆连接座18共有8组，分为连接座181和锁紧盖182两部分。连接座181中间具有轴线倾斜成60°角度、中心对称布置的半球窝，另一半球窝设计在锁紧盖182上，同时连接座上具有沉头光孔，锁紧盖182相应位置为螺纹孔，当桁架杆31的过渡金属球头312置于球窝内时，可通过螺钉将连接座181和锁紧盖182紧固相连接。

所述碳纤维薄壁杆311，采用T700材料。所述过渡金属球头312，采用镁铝合金材料。所述桁架杆连接座18，采用镁铝合金材料。所述连接座181，采用镁铝合金材料。所述锁紧盖182，采用镁铝合金材料。

本实施方式中，各组件的安装过程为：

首先，进行次镜组件1的安装；

在四组叶片11外端通过螺钉分别连接好滑动块12，并将叶片11内端与装调好的次镜支撑组件13在相应位置，通过螺钉相连接；

在上述完成部分基础上，将滑动块12通过次镜连接座14与旋紧螺母15相连接；

将第一次镜碳纤维板16和第二次镜碳纤维板17在次镜连接座14两侧相应位置进行连接，第一次镜碳纤维板16直接通过螺钉与次镜连接座14相连接；第二次镜碳纤维板17对准孔位后，再将4个桁架杆连接座18先通过螺钉，穿过第二次镜碳纤维板17上相应孔位，与次镜连接座14连接；

调整4组旋紧螺母15，次镜支撑组件13到位后，再对向进行拉紧，通过旋紧螺母15施加适当的预紧力；

通过螺钉在旋紧螺母15相应位置，通过镂空部分对准次镜连接座14上相应螺纹孔进行锁止。

其次，进行主镜组件2的安装；

第一主镜碳纤维板21与第二主镜碳纤维板22中间均布4块镁铝合金的主连接件23以及4块辅助连接件24，两块板材与中间的金属件对准到位后，通过螺钉分别穿过碳纤维板上的光孔与金属连接件上的螺纹孔相连接；

在第二主镜碳纤维板22一侧，在相应位置上用螺钉将其余4个桁架杆连接座18穿过碳纤维板上的相应孔位，与主连接件23连接；

在第一主镜碳纤维板21一侧，在相应位置上，用螺钉将事先装调好的主镜支撑组件25，穿过碳纤维板上的光孔与主连接件23、辅助连接件24上对应的螺纹孔相连接；

将蒙皮26在相应位置通过螺钉分别与主连接件23、辅助连接件24侧面的螺纹孔位相连接；

最后，在上述步骤完成的组件基础上，连接桁架组件3；将粘接好的桁架杆31上的球头依次对准放入桁架杆连接座18的组成部件之一连接座181的球窝中，并用螺钉将另一部件锁紧盖182与连接座181相连接，调整桁架位置并逐步锁紧螺钉，直至完全锁紧螺钉、夹紧桁架杆31上的球头；

紧固所有螺钉，完成望远镜框架式主体结构的全部连接。

以上所述的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过实施例，该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

Claims (9)

1.一种超轻量化的望远镜系统，采用基于碳纤维板材以及镁铝合金金属件构成的拼接框架式结构，其特征是：

所述框架式结构包括主镜组件（2）、次镜组件（1）以及桁架组件（3）；所述主镜组件（2）与次镜组件（1）通过桁架组件（3）连接；

所述主镜组件（2）包括第一主镜碳纤维板（21）、第二主镜碳纤维板（22）、主连接件（23）、辅助连接件（24）和主镜支撑组件（25）；

所述第一主镜碳纤维板（21）和第二主镜碳纤维板（22）通过间隔布置的主连接件（23）和辅助连接件（24）连接，所述主连接件（23）和辅助连接件（24）之间布置蒙皮（26）；

在所述第二主镜碳纤维板（21）的一侧通过螺钉将桁架杆连接座（18）穿过第二主镜碳纤维板（22）上的相应孔位，与主连接件（23）连接；

在第一主镜碳纤维板（21）的一侧安装有主镜支撑组件（25），穿过所述第一主镜碳纤维板（21）上的光孔与分别与主连接件（23）、辅助连接件（24）上对应的螺纹孔连接；

所述主连接件（23）和辅助连接件（24）均为C字型结构，所述主连接件（23）的一端为长台阶，另一端为短台阶；短台阶一侧方向朝向次镜，台阶上有并排的四个螺纹孔，外侧螺纹孔（231）用于连接第二主镜碳纤维板（22），内侧螺纹孔（232）用于连接桁架杆连接座（18）；长台阶一侧具有内外两排螺纹孔，外排螺纹孔（233）连接第一主镜碳纤维板（21），内排螺纹孔（234）连接主镜支撑组件（25）；

所述辅助连接件（24）安装在望远镜中心垂面的45°正交方向上，作为采用三镜折转光路光学系统中，三镜组件安装基座的连接部分。

2.根据权利要求1所述的一种超轻量化的望远镜系统，其特征在于：所述主镜组件（2）的前后两部分为正八边形形状、中心圆形开孔的第一主镜碳纤维板（21）和第二主镜碳纤维板（22）的厚度均为6mm。

3.根据权利要求1所述的一种超轻量化的望远镜系统，其特征在于：

所述第一主镜碳纤维板（21）与第二主镜碳纤维板（22），采用T700材料；

所述主连接件（23），采用镁铝合金材料；

所述辅助连接件（24），采用镁铝合金材料；

所述桁架杆连接座（18），采用镁铝合金材料；

所述蒙皮（26），采用铝合金材料。

4.根据权利要求1所述的一种超轻量化的望远镜系统，其特征在于：

所述次镜组件（1）包括四组叶片（11）、滑动块（12）、次镜支撑组件（13）第一次镜碳纤维板（16）和第二次镜碳纤维板（17）；

所述第一次镜碳纤维板（16）和第二次镜碳纤维板（17）通过次镜连接座（14）连接；

在四组叶片（11）外端通过螺钉分别连接滑动块（12），并将叶片（11）内端与装调好的次镜支撑组件（13）在相应位置通过螺钉相连接；

所述次镜支撑组件（13）与次镜连接座（14）通过四片金属叶片（11）连接，叶片张紧力可调整，滑动块（12）在次镜连接座（14）内部径向滑动，通过旋紧螺母（15），带动滑动块（12）径向移动，达到调节叶片（11）张紧力的目的。

5.根据权利要求1所述的一种超轻量化的望远镜系统，其特征在于：

所述的次镜组件（1）碳纤维板材为圆环形形状，碳纤维板材厚度5mm；

所述次镜连接座（14）为中空的长方体，截面为C型，开口一侧短边距离与金属叶片（11）外端连接的滑动块（12）相适配，间隙配合0.02mm-0.05mm，开口另一侧中心处具有一盲孔（141）及通孔（142），盲孔（141）尺寸与旋紧螺母（15）相适配，间隙配合0.03mm-0.08mm；在次镜连接座（14）的上表面处，具有两个贯通的螺纹孔（143），所述螺纹孔（143）一方面作为碳纤维板的连接孔，另一方面作为桁架杆连接座（18）的连接孔，螺钉穿过桁架杆连接座（18）上的光孔以及碳纤维板的光孔，将二者同时与次镜连接座（14）相连接；

所述的叶片（11）共有四片，均布在次镜支撑组件（13）四周，一端与次镜支撑组件（13）相连接，另一端与滑动块（12）通过螺钉相连接，叶片厚1.5mm，滑动块（12）中间开槽1.5mm，开槽两侧分别为沉头光孔、螺纹孔，以便通过螺钉夹紧叶片（11）。

6.根据权利要求5所述的一种超轻量化的望远镜系统，其特征在于：

所述碳纤维板材，采用T700材料；

所述叶片（11），采用Q235钢材材料；

所述滑动块（12），采用45号钢材材料；

所述旋紧螺母（15），采用锡青铜合金材料；

所述次镜连接座（14），采用镁铝合金材料；

所述桁架杆连接座（18），采用镁铝合金材料。

7.根据权利要求1所述的一种超轻量化的望远镜系统，其特征在于：

所述桁架组件（3）包括桁架杆（31）和桁架杆连接座（18）；

所述桁架杆连接座（18）包括连接座（181）和锁紧盖（182）；连接座（181）中间具有轴线倾斜成60°角度、中心对称布置的半球窝，另一半球窝设计在锁紧盖（182）上，同时连接座上具有沉头光孔，锁紧盖（182）相应位置为螺纹孔，当桁架杆（31）的过渡金属球头（312）置于球窝内时，可通过螺钉将连接座（181）和锁紧盖（182）紧固相连接。

8.根据权利要求7所述的一种超轻量化的望远镜系统，其特征在于：每根桁架杆（31）的两端具有两个粘接的过渡金属球头（312），所述桁架杆（31）为中间采用碳纤维薄壁杆（311），两端镶嵌粘接过渡金属球头（312）的组合形式，碳纤维薄壁杆（311）壁厚3mm，过渡金属球头（312）圆柱部分嵌入碳纤维薄壁杆（311）内直至端面与台阶紧靠，用结构胶粘牢；

所述的过渡金属球头（312）为镁铝合金材质，下端圆柱部分上面的台阶采用大倒角设计，防止与桁架杆连接座（18）连接时结构干扰。

9.根据权利要求8所述的一种超轻量化的望远镜系统，其特征在于：

所述碳纤维薄壁杆（311），采用T700材料；

所述过渡金属球头（312），采用镁铝合金材料；

所述桁架杆连接座（18），采用镁铝合金材料；

所述连接座（181），采用镁铝合金材料；

所述锁紧盖（182），采用镁铝合金材料。

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