CN114355554A - 一种航天轻量化反射镜组件及装配方法 - Google Patents

Abstract

一种航天轻量化反射镜组件及装配方法。为了解决空间反射镜在稳定支撑前提下，轻量化和支撑强度难以平衡的问题，本发明提供一种基于参数化设计的航天轻量化反射镜组件及装配方法，尤其是调整了柔性支撑结构，并对反射镜进行了轻量化设计，从而实现了在稳定支撑的同时，兼顾轻量化和支撑强度，对提高空间反射镜面形精度、稳定性和安全性具有重要意义。该航天轻量化反射镜组件，包括轻量化航天反射镜、至少三个柔性两脚架支撑和支撑板，所述柔性两脚架支撑用于将轻量化航天反射镜固定支撑于支撑板上。

Description

一种航天轻量化反射镜组件及装配方法

技术领域

本发明属于航天遥感技术领域，具体涉及一种航天轻量化反射镜组件及装配方法，该反射镜组件具有轻量化程度高、装配应力小、装配工艺简单等特点，装配后的航天轻量化反射镜具备高面形精度，同时稳定性好、安全系数高。

背景技术

为避开地球大气对天文观测的影响，望远镜从地基发展到了空间。相比于地基望远镜，空间望远镜具有更广泛的可观测波段范围和更高的分辨率。

根据光学系统的衍射极限角分辨率的计算方法可以得出：光学系统更高的成像质量需要有更大口径的光学反射镜，但由于使用条件的限制，空间反射镜口径的增大会给反射镜结构设计带来非常多的难题；同时，由于空间反射镜在地面环境进行制造、装调和检测，而在微重力的空间环境下运行工作，这种天地环境的不一致性给空间反射镜的设计带来了更多的难题，也提出了更高的要求。

传统空间反射镜的轻量化结构大都是圆柱形加等尺寸轻量化孔的简单结构形式，难以满足未来空间反射镜更高的轻量化率和面形精度要求；传统反射镜结构设计方法主要为依赖经验和参数分析的方法，难以在结构轻量化率和镜面面形精度上取得更大的突破；传统空间反射镜的支撑结构设计方法往往只考虑了反射镜的固定安全性，刚性连接和过约束经常带来无法预测的装配应力，很难使空间反射镜在各种复杂工况下都能满足高面形精度要求。

CN202011149347.4提供了一种题为“微型空间遥感器超轻低质心反射镜柔性支撑结构及装配法”的反射镜方案，该结构及方法利用挠性组件自身的弹性变形，协调反射镜与承力结构之间的变形差异，避免反射镜产生内部应力，降低反射镜的面形精度，从根本上解决了超轻低质心反射镜质心O与挠性支撑回转中心不重合引起的弯曲力矩对镜面面形精度的影响；但该结构由于采用单脚结构形式，支撑强度相对受限，在突发高频振动时可能产生移位。

CN201910097413.9提供了一种题为“大口径反射镜减振柔性支撑结构及反射镜组件”反射镜方案，采用了双脚结构形式，提升了支撑强度，但其U型连接框通过销轴进行固定时，安装较为复杂，且对加工精度要求极高。

综上，大口径空间反射镜必须能够在各种复杂的环境下(包括变化的重力、温度、及发射过程中的振动影响等)使镜面具有更高的面形精度来保证光学系统的成像质量：同时，大口径空间反射镜也需要尽可能减轻结构的重量，降低发射过程的成本。因此，合理设计空间反射镜轻量化结构，使反射镜具有轻质高刚度的特性，优化反射境的柔性支撑结构，使反射境具有稳定可靠的支撑，能够在有效减轻空间反射镜重量的同时，提高反射镜镜面的面形精度和稳定性是光学系统设计领域亟待解决的问题。

发明内容

为了解决背景技术中空间反射镜在稳定支撑前提下，轻量化和支撑强度难以平衡的问题，本发明提供一种基于参数化设计的航天轻量化反射镜组件及装配方法，尤其是调整了柔性支撑结构，并对反射镜进行了轻量化设计，从而实现了在稳定支撑的同时，兼顾轻量化和支撑强度，对提高空间反射镜面形精度、稳定性和安全性具有重要意义

本发明的技术方案如下：

一种航天轻量化反射镜组件，包括轻量化航天反射镜、至少三个柔性两脚架支撑和支撑板，所述柔性两脚架支撑用于将轻量化航天反射镜固定支撑于支撑板上；

其特征在于：

所述轻量化航天反射镜的壳体侧壁上均布有连接孔，连接孔数量与柔性两脚架支撑数量相同；所述柔性两脚架支撑呈人字形，包括两个柔性连杆，两个底座和一个连接单元；所述两个柔性连杆一端分别与两个底座连接，另一端均与连接单元连接，两个柔性连杆的延长线夹角为θ，130°≥∠θ≥100°，且延长线相交点与轻量化航天反射镜质心所在的中性面共面；所述底座和支撑板之间设置有修切垫；所述连接单元包括插头、粘接件和固定座，所述插头固定设置于粘接件上，用于插入连接孔进行固定；所述粘接件设置于固定座上，粘接件涂胶后粘接于轻量化航天反射镜侧壁的连接孔周围，柔性连杆与固定座两侧固定连接。

进一步地，所述柔性连杆包括固定连接的下支撑部和上支撑部，下支撑部为工字型结构，上支撑部为一字型结构；所述一字型结构厚度为工字型结构厚度的1/2～1/3；所述工字型结构由厚度相近或相同的下梁、竖梁和上梁组成；下梁与底座连接，上梁与一字型结构连接，竖梁将下梁和上梁连接形成工字型结构；所述一字型结构的宽度与上梁、下梁的长度相近或相同。

进一步地，所述插头外壁包括4个粘接面，连接孔孔内包括与之相适配的4个孔内粘接面，插头的4个粘接面与各孔内粘接面之间的间隙为0.2mm-0.3mm上，各间隙通过注胶填充。

进一步地，所述粘接件与航天反射镜侧壁接触的面积为插头截面的50％-60％，在保证粘接强度的基础上降低固化收缩对反射镜面形的影响。

进一步地，所述轻量化航天反射镜光学反射面厚度与轻量化孔外接圆直径比例≥1:10且边缘减薄部分所占反射镜直径尺寸比例≤30％，可保证反射镜光学加工受磨头压力时的镜面变形小于1/10波长，提高反射镜光学加工效率。

进一步地，所述柔性两脚架支撑为钛合金材质。

进一步地，所述支撑板为轻量化金属基碳化硅减重结构。

一种航天轻量化反射镜组件的装配方法，包括以下步骤：

1】使反射镜光轴竖直向上，通过精密加工的垫块保证反射镜顶点到支撑板前面板间的光学间距，用塞尺保证柔性两脚架支撑方孔和圆柱形侧壁的胶粘间隙为0.2mm-0.3mm，将柔性两脚架和修切垫通过力矩扳手安装到支撑板上，

2】用塞尺测量修切垫与支撑板的间隙，重新加工或修切垫片尺寸，保证去除修切垫塞尺后的配合间隙仍在公差范围内；

3】通过专用的注胶工装在配合间隙处注入环氧结构胶，并在18℃-22℃条件下静置40～50h，以减小环氧结构胶固化产生的收缩应力；

4】对反射镜翻转进行干涉仪面形检测，检测结果显示可见光成像反射镜面形误差优于16nm RMS即为合格。

本发明解决技术问题所采取的方案如下：

1.轻量化反射镜为碳化硅材料，采用拱形结构，侧壁以120度间距开三个方孔，背部为开放式轻量化孔结构，光学反射面厚度与轻量化孔尺寸保证一定比例以保证光学加工时变形小于1/20波长，边缘部分在光学加工时由专用工装支撑以减小变形。采用这种高轻量化结构使反射镜重量大大减轻。

2.柔性支撑采用两脚架结构，与反射镜为嵌入式连接，柔性支撑的方形头部与反射镜的方孔配合粘接，柔性支撑的圆柱面与反射镜侧壁配合粘接，嵌入式和侧壁粘接有效增大了接触面积，提高了产品发射时力学环境下的安全性。

3.柔性支撑通过螺钉与铝基碳化硅支撑板上的螺孔连接，中间安装铝合金修切垫保证支撑与反射镜间的配合胶粘间隙。

4.装配时首先通过精密加工的垫块保证反射镜顶点到支撑板前面板间的光学间距；其次将三个柔性支撑和修切垫连接到支撑板上，用塞尺保证柔性支撑方孔和圆柱形侧壁的胶粘间隙，同时用塞尺补偿修切垫的厚度，调整到位后，重新加工或修切垫片尺寸，保证去除修切垫塞尺后的配合间隙仍在公差范围内；然后通过专用的注胶工装在配合间隙处注入环氧结构胶，保证结构胶固化过程中的温度以减小固化收缩应力；固化完成后使光轴水平进行面形检测，四个间隔90°方向的面形误差均在光学要求范围内，且正负90度和正负180度两个方向的面形干涉测量图相加后面形误差也在光学要求范围内，反射镜组件装配完成。

附图说明

图1为航天轻量化反射镜组件结构示意图；

图2为轻量化反射镜结构示意图；

图3为柔性支撑两脚架结构示意图；

图4为胶粘面示意图；

图5为柔性两脚架支撑顶点与反射镜相对位置关系示意图。

其中附图标记为：1-轻量化反射镜、2-柔性两脚架支撑、3-修切垫、4-支撑板；D1为反射镜后部外圆直径、D2为轻量化孔内接圆直径、tm为光学反射面厚度，H1为反射镜高度、H2为反射镜后部厚度、T1为反射镜外边缘加强筋厚度、T2为反射镜后部轻量化孔加强筋厚度；θ为两脚架角度、t为柔节厚度、L为柔节长度、W为柔节宽度。

具体实施方式

本发明的原理在于：

为解决航天中小口径轻量化反射镜装配过程中的应力问题，使装配后的轻量化反射镜具有高精度和高稳定性面形，提出了一种轻量化反射镜支撑技术，该支撑技术采用了三点静定侧面支撑的方式，并设计一种轻量化、高强度、高稳定性的柔性两脚架支撑，不仅使装配后的轻量化航天反射镜组件具有高面形精度，同时其装配过程简单，装配周期短，装配后稳定性好，安全系数高。该技术尤其适用于反射镜口径小于600mm的情况。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

以下结合实施步骤对本发明作进一步详细说明。

参见附图1至图5，具体实施方式如下：

实施例1：

在确定反射镜面曲率半径和通光孔径后，以质量和光轴水平时镜面变形PV值为目标函数，利用遗传算法对D1、D2、H1、H2、T1等轻量化参数进行综合优化，通过侧壁三个方孔与三个柔性两脚架支撑用结构胶粘接，设计上保证两脚架中心点与反射镜中性面重合，以基频和光轴水平时镜面变形RMS值为目标函数，利用遗传算法对θ、t、L、W等柔节参数进行优化，得到质量轻、面形精度高的航天反射镜组件设计。通过优选L、W、t、θ、D1、D2、H1、H2、T1和T2等参数，可以在保证航天发射力学安全性的基础上，获得最优的反射镜面形和最小的反射镜质量。

具体参数是，镜面曲率半径为1500mm，通光孔径500mm，以质量小于10kg，侧面三个方孔固定，光轴水平时镜面变形PV值小于10nm为目标函数，利用仿真软件进行轻量化参数综合优化，优化完成后D1＝350mm，D2＝45mm，H1＝55mm，H2＝40mm，T1＝4mm，T2＝2.5mm。质量9.8kg，镜面变形PV值3nm。

参数确定后，根据参数设定该碳化硅材料的航天轻量化反射镜组件，其包括轻量化航天反射镜、三个柔性两脚架支撑和支撑板，柔性两脚架支撑用于将轻量化航天反射镜固定支撑于支撑板上；轻量化航天反射镜的壳体侧壁上均布有连接孔，连接孔数量与柔性两脚架支撑数量相同。

柔性两脚架支撑选用钛合金材料，以基频大于200Hz，光轴水平时镜面变形RMS值小于6nm为目标函数，利用仿真软件对柔节参数进行优化，优化后的基本参数如下：

基频为212Hz，镜面变形RMS值为2.2nm。

其中，柔性两脚架支撑呈人字形，包括两个柔性连杆，两个底座和一个连接单元；所述两个柔性连杆一端分别与两个底座连接，另一端均与连接单元连接，两个柔性连杆的延长线夹角为θ为112°，且延长线相交点与轻量化航天反射镜质心所在的中性面共面；底座和支撑板之间设置有修切垫；所述连接单元包括插头、粘接件和固定座，所述插头固定设置于粘接件上，用于插入连接孔进行固定；所述粘接件设置于固定座上，粘接件涂胶后粘接于轻量化航天反射镜侧壁的连接孔周围，柔性连杆与固定座两侧固定连接。柔性连杆包括固定连接的下支撑部和上支撑部，下支撑部为工字型结构，上支撑部为一字型结构；工字型结构由厚度相近或相同的下梁、竖梁和上梁组成；下梁与底座连接，上梁与一字型结构连接，竖梁将下梁和上梁连接形成工字型结构；一字型结构的宽度与上梁、下梁的长度相近或相同。其具体参数是，t＝1.5mm、L＝8mm、W＝5mm。

实际装配时，需采用修切垫3与支撑板4连接，保证柔性两脚架2与轻量化反射镜1之间的胶粘间隙。

装配时，反射镜光轴竖直向上，先通过精密加工的垫块保证反射镜顶点到支撑板前面板间的光学间距，用塞尺保证柔性两脚架支撑方孔和圆柱形侧壁的胶粘间隙为0.2mm-0.3mm，将柔性两脚架和修切垫通过力矩扳手安装到支撑板上，用塞尺补偿修切垫与支撑板的间隙，调整到位后，重新加工或修切垫片尺寸，保证去除修切垫塞尺后的配合间隙仍在公差范围内；然后通过专用的注胶工装在配合间隙处注入环氧结构胶，结构胶固化过程中的温度应在18摄氏度-22摄氏度范围内以减小固化收缩应力，48小时候可对反射镜翻转进行干涉仪面形检测，受装配应力和胶层固化应力影响，光轴水平情况下反射镜面形误差为10nm RMS，满足可见光成像反射镜面形误差优于16nm RMS的要求。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种航天轻量化反射镜组件，包括轻量化航天反射镜、至少三个柔性两脚架支撑和支撑板，所述柔性两脚架支撑用于将轻量化航天反射镜固定支撑于支撑板上，其特征在于：所述轻量化航天反射镜的壳体侧壁上均布有连接孔，连接孔数量与柔性两脚架支撑数量相同；所述柔性两脚架支撑呈人字形，包括两个柔性连杆，两个底座和一个连接单元；所述两个柔性连杆一端分别与两个底座连接，另一端均与连接单元连接，两个柔性连杆的延长线夹角为θ，130°≥∠θ≥100°，且延长线相交点与轻量化航天反射镜质心所在的中性面共面；所述底座和支撑板之间设置有修切垫；所述连接单元包括插头、粘接件和固定座，所述插头固定设置于粘接件上，用于插入连接孔进行固定；所述粘接件设置于固定座上，粘接件涂胶后粘接于轻量化航天反射镜侧壁的连接孔周围，柔性连杆与固定座两侧固定连接。

2.根据权利要求1所述的航天轻量化反射镜组件，其特征在于：所述航天轻量化反射镜组件，包所述柔性连杆包括固定连接的下支撑部和上支撑部，下支撑部为工字型结构，上支撑部为一字型结构；所述一字型结构厚度为工字型结构厚度的1/2～1/3；所述工字型结构由厚度相近或相同的下梁、竖梁和上梁组成；下梁与底座连接，上梁与一字型结构连接，竖梁将下梁和上梁连接形成工字型结构；所述一字型结构的宽度与上梁、下梁的长度相近或相同。

3.根据权利要求2所述的航天轻量化反射镜组件，其特征在于：所述插头外壁包括4个粘接面，连接孔孔内包括与之相适配的4个孔内粘接面，插头的4个粘接面与各孔内粘接面之间的间隙为0.2mm-0.3mm上，各间隙通过注胶填充。

4.根据权利要求3所述的航天轻量化反射镜组件，其特征在于：所述粘接件与航天反射镜侧壁接触的面积为插头截面的50％-60％。

5.根据权利要求4所述的航天轻量化反射镜组件，其特征在于：所述轻量化航天反射镜光学反射面厚度与轻量化孔外接圆直径比例≥1:10且边缘减薄部分所占反射镜直径尺寸比例≤30％。

6.根据权利要求5所述的航天轻量化反射镜组件，其特征在于：所述柔性两脚架支撑为钛合金材质。

7.根据权利要求1至5任一所述的航天轻量化反射镜组件，其特征在于：所述支撑板为轻量化金属基碳化硅减重结构。

8.一种航天轻量化反射镜组件的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】使反射镜光轴竖直向上，通过精密加工的垫块保证反射镜顶点到支撑板前面板间的光学间距，用塞尺保证柔性两脚架支撑方孔和圆柱形侧壁的胶粘间隙为0.2mm-0.3mm，将柔性两脚架和修切垫通过力矩扳手安装到支撑板上，

2】用塞尺测量修切垫与支撑板的间隙，重新加工或修切垫片尺寸，保证去除修切垫塞尺后的配合间隙仍在公差范围内；

3】通过专用的注胶工装在配合间隙处注入环氧结构胶，并在18℃-22℃条件下静置40～50h，以减小环氧结构胶固化产生的收缩应力；

4】对反射镜翻转进行干涉仪面形检测，检测结果显示可见光成像反射镜面形误差优于16nm RMS即为合格。

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