CN113568134A - 具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构 - Google Patents

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CN113568134A CN202110906739.9A CN202110906739A CN113568134A CN 113568134 A CN113568134 A CN 113568134A CN 202110906739 A CN202110906739 A CN 202110906739A CN 113568134 A CN113568134 A CN 113568134A
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Abstract

具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构,涉及空间光学遥感技术领域,为解决现有技术中存在的问题,提供了一种具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜展开机构,在实现空间衍射主镜在轨展开功能的同时,不仅能提高轨道热环境的适应能力,还能降低展开动作带来的冲击,从而保证了空间衍射主镜的在轨光学性能和可靠性。包括基板、柔性杆、中心支撑、缓释装置、锁定装置和随动铰链,本发明的展开机构的柔性杆在折叠状态下可以弯折以适应主镜内狭小的空间,进行展开动作时可以提供基板展开所需要的弹力。因此相对于刚性连接杆,N组基板仅需要N个锁定装置,并且不需要联轴器。本发明的展开机构有利于实现空间衍射主镜的轻量化。

Description

具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构
技术领域
本发明涉及空间光学遥感技术领域,具体涉及一种具备消热和低冲击特性空间衍射主镜的展开机构。
背景技术
随着光学遥感应用需求的日益增长,对空间望远镜的成像分辨率要求也越来越高,为了应对这种需求空间望远镜的入瞳口径也要随之增大。主镜作为空间望远镜的入瞳光阑往往在整机中质量和体积占比极大,尽管反射镜的轻量化技术已经极为成熟,但是传统大型高分辨空间望远镜依然具有极高的发射成本。
为了解决上述问题,利用薄膜光学元件作为主镜的空间衍射望远镜被提出,受限于火箭整流罩的包络,空间衍射主镜必须在发射过程中处于折叠状态。目前,国内外多采用分瓣式结构的空间衍射主镜,其能够实现主镜大口径化的同时具有超轻的质量。但是,现有的空间衍射主镜展开机构存在诸多问题难以实际应用。一方面,空间衍射望远镜主镜由于其特殊的使用条件仅能够进行简单的热控实施,所以其受到轨道热环境也极为恶劣,无消热环节的结构会使得空间衍射主镜的光学性能出现严重退化。另一方面,薄膜光学元件相较于普通光学镜片极为脆弱,因此空间衍射主镜的展开动作不能带来过大的冲击振动以免薄膜光学元件损坏。
因此,亟需一种即能够实现空间衍射主镜在轨展开并且具备消热和低冲击特性的展开机构,以保证空间衍射主镜的在轨光学性能和可靠性。
与本发明最为接近的已有技术是发明专利,申请号201610949783.7,名称:空间大口径可展开的主镜机构。该发明中本发明中N组分块式镜体均匀设在联动装置的周围,展开锁定装置包括N个第一铰接器、N个第二铰接器、N个第三铰接器和N个第四铰接器,相邻两组分块式镜体的顶部通过一个第一铰接器相连接,相邻两组分块式镜体的底部通过一个第二铰接器相连接,每组分块式镜体包括两个子镜,两个子镜并列设置,两个子镜的顶部通过一个第三铰接器相连接,两个子镜的底部通过一个第四铰接器相连接,N组分块式镜体通过展开锁定装置做出收拢和展开动作。
上述空间大口径可展开的主镜机构的缺点在于:
1.空间大口径可展开的主镜机构在轨展开后并处于恶劣的轨道热环境中时,主镜结构会因剧烈的温度变化产生热变形,纯刚性的展开机构无法释放额外的热应力,因此主镜上的薄膜衍射元件的平面度指标会发生恶化,严重影响空间衍射主镜的光学性能。
2.空间大口径可展开的主镜机构展开过程的驱动力来源为单一的弹簧驱动,这种方案展开速率无法控制,并且纯刚性的展开机构会将振动近乎无衰减的传递到薄膜光学元件上从而造成其发生破坏,降低了空间衍射主镜的可靠性。
3.空间大口径可展开的主镜机构由于采用不能提供弹力的纯刚性联动杆支撑镜体,因此N块镜体需要4N个展开锁定装置和N个联轴器,冗余的结构设计使得整机结构质量增加,不利于空间衍射主镜的轻量化。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题,提供了一种具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜展开机构,在实现空间衍射主镜在轨展开功能的同时,不仅能提高轨道热环境的适应能力,还能降低展开动作带来的冲击,从而保证了空间衍射主镜的在轨光学性能和可靠性。
具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜展开机构,包括基板、柔性杆、中心支撑、缓释装置、锁定装置和随动铰链,所述空间衍射主镜通过中心支撑安装在卫星平台上。
所述基板为N组,每组包括两个基板,共2N个基板围绕中心支撑呈圆周阵列均布;每组的两个基板间通过两个随动铰链相连接,所述两个随动铰链分别连接着基板的两端,共2N个;所述每组基板间通过展开机构相连接,所述展开机构连接着基板中间部位,共N个;所述缓释装置安装在中心支撑侧面,共N个;所述柔性杆一端与锁定装置铰接另一端与缓释装置铰接。
进一步的,所述中心支撑处于空间衍射主镜的中心,其包括中心支撑顶面和中心支撑侧面;所述中心支撑顶面与提供与卫星平台之间的机械接口,所述中心支撑侧面提供与N个缓释装置间的机械接口。所述基板上具有用于固定薄膜光学元件的安装孔Ⅰ和安装孔Ⅱ;所述柔性杆具有带状弹簧,所述带状弹簧共4段均布在柔性杆上。
所述空间衍射主镜处于折叠状态时,所述N个柔性杆的中间两段带状弹簧处于弯折状态,所述每组中得两块基板对折,所述2N个随动铰链随着基板的对折而闭合,所述N个锁定装置锁定两组间的基板。
所述空间衍射主镜处于展开状态时,所述N个柔性杆完全伸长,所述2N个基板处于同一平面且呈圆周阵列均布,所述2N个随动铰链随着基板的共面而张开,所述N个展开机构解锁。
进一步的,在所述空间衍射主镜的展开过程中,所述缓释装置能够控制带状弹簧恢复伸长的速率,从而降低展开动作对空间衍射主镜乃至薄膜衍射单元的冲击力。
本发明的有益效果:
(1)本发明的空间衍射主镜展开机构具备消热功能,可以释放温度载荷作用下基板的热变形,从而削弱轨道热环境对空间衍射主镜的影响,保证其在轨光学性能。经过仿真计算,无消热功能的主镜在±10℃温差下,薄膜光学元件的平面度为8mm;本发明具备消热功能的主镜在±10℃温差下,薄膜光学元件的平面度为2mm,消热效果提升了75%。
(2)本发明的空间衍射主镜展开机构,具备低冲击特性,缓释机构能够控制主镜展开的速率,因此能够大幅度降低展开动作对薄膜光学元件的冲击力并防止其发生破坏,提高空间衍射主镜的可靠性。
(3)本发明的空间衍射主镜展开机构的柔性杆在折叠状态下可以弯折以适应主镜内狭小的空间,进行展开动作时可以提供基板展开所需要的弹力。因此相对于刚性连接杆,N组基板仅需要N个锁定装置,并且不需要联轴器。具有较轻的质量并且面密度仅为12kg/m,更加有利于实现高分辨空间相机的轻量化。
(4)本发明所述的展开机构中,在空间衍射主镜展开状态下,完全伸长的柔性杆在垂直镜面方向具有一定的挠性,可以削弱温度载荷对空间衍射主镜光学性能的影响,从而实现消热功能。
附图说明
图1为具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构的展开状态示意图;
图2为具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构的折叠状态示意图;
图3为具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构的折叠状态局部示意图;
图4为具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构的中心支撑及缓释装置布局示意图;
图5为具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构的柔性杆伸长状态示意图;
图6为具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构的柔性杆折叠状态示意图。
图中:1、基板,2、柔性杆,3、中心支撑,4、缓释装置,5、锁定装置,6、随动铰链,101、安装孔Ⅰ,102、安装孔Ⅱ,201、带状弹簧,301、中心支撑顶面,302、中心支撑侧面。
具体实施方式
结合图1至图6说明本实施方式,具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构,包括基板1、柔性杆2、中心支撑3、缓释装置4、锁定装置5和随动铰链6。
所述中心支撑3处于本发明式空间衍射主镜的中心。2N个基板1围绕中心支撑3呈圆周阵列均布,每两个基板1为一组,共N组;每两个基板1通过两个所述随动铰链6相连接并分布在基板1的两端;每两组基板1间通过所述锁定装置5相连接并处于基板中间部位。所述N个缓释装置4围绕中心支撑3呈圆周阵列均布;所述N个柔性杆2一端与锁定装置5相连接,同时另一端与缓释装置4相连接。
本实施方式中,所述随动铰链6能够随着两块基板1的运动进行张开与闭合;所述锁定装置5能够锁定与解锁两组间的基板1;所述缓释装置4缓慢释放柔性杆2,从而可以控制空间衍射主镜的展开速率。
本实施方式中,为了实现空间衍射主镜的展开与折叠功能,N应为不小于3的自然数。
本实施方式中,所述柔性杆2与锁定装置5和缓释装置4的连接关系为铰接。
如图3和图4所示,所述基板1上具备安装孔Ⅰ101和安装孔Ⅱ102,所述安装孔Ⅰ101和安装孔Ⅱ102用于固定的薄膜光学元件。所述中心支撑3具备中心支撑顶面301和中心支撑侧面302;所述中心支撑顶面301用于提供所述空间衍射主镜与卫星平台的机械接口;所述中心支撑侧面302用于安装N个缓释装置4。
本实施方式中,所述基板1上可安装两个大小不同的薄膜光学元件,2N个基板1可安装4N个薄膜光学元件,共同起到为空间衍射望远镜收集入射光线的作用。
本实施方式中,所述展开机构使得空间衍射主镜可以通过中心支撑3与卫星平台相连接。
如图5所示,所述柔性杆2具有带状弹簧201;所述带状弹簧201共4段并均布在柔性杆2上。所述带状弹簧201沿长边方向具有较好的刚度,同时在短边方向上具有一定的挠性。因此,当四段带状弹簧201完全伸长时,能够在径向上对空间衍射主镜整体结构提供良好的支撑,同时能够削弱主镜结构热变形。
如图6所示,当所述柔性杆2中间两段带状弹簧201弯折时,能够折叠柔性杆2的以实现空间衍射主镜的折叠。当空间衍射主镜需要进行展开动作时,所述柔性杆2中处于弯折状态的带状弹簧201能够提供展开所需要的弹力。
本实施方式所述的具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构具备两种状态,对应图1和图2分别为展开状态与折叠状态。
当处于在轨工作状态时,所述空间衍射主镜处于展开状态。在展开过程中,所述锁定装置5解锁,所述柔性杆2上的弯折的带状弹簧201具有恢复伸长的趋势,因此可以释放储存的能量从而带动基板1运动,所述缓释装置4控制展开过程中柔性杆2的恢复速率,从而控制空间衍射主镜的展开时间,能够有效的降低对薄膜衍射元件的冲击力。展开动作结束后,2N块基板1处于同一平面且呈圆周阵列均布,所述随动铰链6随着基板1的共面而张开;所述四段带状弹簧201均全部伸长,并对空间衍射主镜起到支撑作用。
本实施方式中,所述柔性杆2两端分别与锁定装置5和缓释装置4铰接,并且柔性杆2上两端的带状弹簧201具有一定挠性,能够保证柔性杆2顺利弯折。
在轨工作过程中,所述空间衍射主镜展开状态下,完全伸长的柔性杆2在垂直镜面方向具有一定的挠性,因此可以释放基板1在恶劣轨道热环境下产生的热应力,从而降低空间衍射主镜的热变形量,削弱温度载荷对空间衍射主镜光学性能的影响,实现消热功能。
在随火箭发射过程中,为适应火箭整流罩内包络,空间衍射主镜处于折叠状态。此时,所述柔性杆2的中间两段带状弹簧201处于弯折状态,一方面储存进行展开动作所需的能量,另一方面弯折后的柔性杆2可以适应基板1收拢后内部狭小的空间;所述每组的两块基板1处于对折状态,所述随动铰链6随着基板1的对折而闭合;所述锁定装置5锁定两组基板1,保持一定角度且不发生任何运动。
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 (5)

1.具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构,其特征是:该机构包括基板(1)、柔性杆(2)、中心支撑(3)、缓释装置(4)、锁定装置(5)和随动铰链(6);
所述基板(1)为N组,每组包括两个基板,N组基板围绕中心支撑(3)呈圆周阵列均布,
每组基板之间通过锁定装置(5)连接,每组的两个基板之间通过随动铰链(6)连接;
所述柔性杆(2)的一端与锁定装置(5)铰接,另一端与缓释装置(4)铰接;所述缓释装置(4)安装在中心支撑(3)周向上;
所述柔性杆(2)上均布有多段带状弹簧,空间衍射主镜处于折叠状态时,柔性杆(2)的中间两段带状弹簧处于弯折状态,每组基板中的两块基板对折,所述随动铰链(6)随基板的对折而闭合,所述锁定装置(5)锁定相邻组之间的基板;
所述空间衍射主镜处于展开状态时,所述柔性杆(2)完全伸长,2N个基板处于同一平面且呈圆周阵列均布,2N个随动铰链随基板的共面而张开,所述N个锁定装置(5)解锁相邻组之间的基板。
2.根据权利要求1所述的具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构,其特征在于:每组的两个基板(1)之间通过两个随动铰链(6)连接,所述两个随动铰链分别连接着基板1的两端,共2N个;
所述锁定装置(5)与相邻组基板的中间部位连接,共N个。
3.根据权利要求1所述的具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构,其特征在于:所述中心支撑(3)处于空间衍射主镜的中心,其包括中心支撑顶面301和中心支撑侧面(302);所述中心支撑顶面(301)用于提供与卫星平台之间的机械接口,所述中心支撑侧面(302)提供与N个缓释装置间的机械接口。
4.根据权利要求1所述的具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构,其特征在于:所述基板(1)上具有用于固定薄膜光学元件的安装孔Ⅰ和安装孔Ⅱ。
5.根据权利要求1所述的具备消热和低冲击特性的空间衍射主镜的展开机构,其特征在于:在所述空间衍射主镜的展开过程中,所述缓释装置(4)用于控制带状弹簧恢复伸长的速率,实现控制空间衍射主镜的展开时间,从而使展开机构具备低冲击特性。
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CN103482084A (zh) * 2013-08-29 2014-01-01 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种基于带状弹簧的新型太阳帆板展开与支撑机构
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