一種空間遙感器反射鏡柔性支撐結(jié)構(gòu)

張 軍

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033）

一種空間遙感器反射鏡柔性支撐結(jié)構(gòu)

張 軍

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033）

設(shè)計(jì)了剛度高、熱適應(yīng)強(qiáng)的反射鏡柔性支撐結(jié)構(gòu)。通過有限元模型分析，該支撐結(jié)構(gòu)中的反射鏡在±10℃的環(huán)境溫度變化下，其反射鏡面形精度RMS值達(dá)到1／50λ（λ＝632.8nm）。

反射鏡；柔性支撐；成像質(zhì)量

0 引 言

1 反射鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 反射鏡支撐結(jié)構(gòu)

按照反射鏡的支撐位置，可以分為中心支撐、周邊環(huán)形支撐、側(cè)面支撐、背部多點(diǎn)支撐等形式，如圖1所示。

圖1 反射鏡支撐方式示意圖

對于光軸垂直放置的反射鏡，可以采用周邊環(huán)形支撐。這種支撐方式一般是在反射鏡的邊緣附近施加一個連續(xù)的面接觸，接觸表面要求的精度很高。這種支撐方式下，反射鏡中心受自身重力影響發(fā)生的變形量一般最大。

側(cè)邊支撐和周邊環(huán)形支撐一般都不單獨(dú)應(yīng)用于空間反射鏡支撐，因?yàn)檫@兩種支撐方式都要依靠重力的作用?？臻g用反射鏡需要滿足變方位安裝要求，即當(dāng)重力作用方向變化時，反射鏡都能滿足使用要求。

背部多點(diǎn)支撐是指在光學(xué)反射鏡的背部為定位基準(zhǔn)的支撐方式。這種支撐方式是反射鏡變方位安裝最常見的一種形式，通常在反射鏡背部特定的位置加工出一定數(shù)量和深度的盲孔，采用膠結(jié)的方式將反射鏡與柔性支撐單元連接起來，然后連接到支撐背板上。背部三點(diǎn)支撐由于采用了柔性支撐單元，可消除由裝配和溫度變化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力［3］。

因此，我們可選擇背部三點(diǎn)支撐形式，除此之外，還可以采用基于半運(yùn)動學(xué)定位原理的復(fù)合支撐方式，即背部三點(diǎn)支撐和側(cè)面兩點(diǎn)輔助支撐。

1.2 反射鏡組件結(jié)構(gòu)

4.2 生態(tài)效益 金花茶是常綠灌木至小喬木，通過項(xiàng)目建設(shè)利于保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、生態(tài)環(huán)境保護(hù)。紫檀樹內(nèi)含根瘤菌，可以固氮保水、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高地力，項(xiàng)目實(shí)施不但對周圍環(huán)境沒有污染，而且提高森林質(zhì)量和覆蓋率，對改善當(dāng)?shù)匦夂蚓哂写龠M(jìn)作用。

反射鏡組件由反射鏡、柔性支撐單元、支撐背板組成，支撐背板是聯(lián)接在反射鏡柔性支撐單元和相機(jī)整體框架之間的結(jié)構(gòu)，支撐背板圍繞反射鏡支撐點(diǎn)的位置展開，它是給反射鏡的支撐點(diǎn)提供穩(wěn)定的支撐平臺［4］，支撐背板是反射鏡組件中一個非常重要的結(jié)構(gòu)件，為避免過約束引入裝配應(yīng)力，支撐背板與反射鏡的聯(lián)接通過柔性支撐單元，采用三點(diǎn)式聯(lián)接方式，如圖2所示。

圖2 反射鏡支撐結(jié)構(gòu)

柔性支撐單元是反射鏡組件的重要環(huán)節(jié)，它不但可以隔震，消除部分裝配應(yīng)力，同時可以吸收溫度變化下材料熱特性不匹配產(chǎn)生的能量，考慮到力學(xué)環(huán)境和溫度環(huán)境對結(jié)構(gòu)的影響，使結(jié)構(gòu)具有一定的緩沖作用［5］，柔性支撐單元由芯軸、柔節(jié)、軸套組成，如圖3所示。

圖3 柔性支撐單元

在反射鏡三點(diǎn)連接口處各粘接一軸套，通過螺釘將芯軸固定在支撐背板三點(diǎn)連接處，將柔節(jié)與芯軸和軸套聯(lián)接，形成柔性支撐單元。

合理的材料選取可以盡量減少材料熱特性不匹配帶來的影響，反射鏡選擇SiC材料制作。選擇與SiC材料線脹系數(shù)相近的銦鋼作為反射鏡背部支撐孔與支撐結(jié)構(gòu)相連接的鑲嵌件，支撐結(jié)構(gòu)件選擇高比剛度、高強(qiáng)度、低密度且加工工藝成熟的鈦合金制作，與支撐結(jié)構(gòu)件相連的背部支撐背板則采用高比剛度、低線脹系數(shù)的高體份SiC／Al復(fù)合材料制作，具體材料屬性見表1。

表1 各部件材料屬性

2 柔性支撐單元參數(shù)優(yōu)化

通過對柔性鉸鏈變形區(qū)主要參數(shù)的優(yōu)化，不僅能夠消除反射鏡支撐系統(tǒng)在溫度變化時對面形精度的影響，而且可以避免在聯(lián)接和裝配當(dāng)中產(chǎn)生的應(yīng)力造成反射鏡面形下降。

單軸柔性鉸鏈的切口截面為矩形，如圖4所示。

柔性鉸鏈的基本性能包括剛度、精度及應(yīng)力特性等。其中，剛度特性直接反映了柔性鉸鏈抵抗外部載荷的能力，同時也體現(xiàn)了鉸鏈的柔性程度，因此，柔性鉸鏈在最小厚度t、切割圓半徑r、寬度b、高度h幾何尺寸都需要分析計(jì)算確定［6］。

圖4 柔性鉸鏈界面剛度

單軸柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度計(jì)算公式為：

t——最薄處厚度；ρ＝r／t。

通過計(jì)算分別求得R＝1mm，R＝1.5mm，R＝2mm時，對應(yīng)t＝0.1～2.5mm的轉(zhuǎn)角剛度，以t為橫坐標(biāo)，轉(zhuǎn)角剛度值為縱坐標(biāo)，它們之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角剛度對t的變化曲線

從圖5中可以看出，t值的大小對柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度影響較大，隨著t值的增加，轉(zhuǎn)角剛度呈二次曲線增加，而R值增加，轉(zhuǎn)角剛度減小，根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求確定柔性鉸鏈的R值大小，再選擇合適的t值，以保證柔性鉸鏈具有合適的轉(zhuǎn)角剛度和位移剛度，在柔性支撐單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，初步選取R＝1.0，t＝2。

3 反射鏡組件有限元分析

模擬反射鏡組件約束時，將反射鏡組件固定在一塊可自由膨脹的基板上［7］進(jìn)行靜態(tài)分析，如圖6所示。

圖6 反射鏡組件網(wǎng)格劃分

反射鏡組件變形云圖如圖7所示。

圖7 反射鏡組件變形云圖

反射鏡自重變形引起的位置及面形誤差見表2。

表2 反射鏡自重變形引起的位置及面形誤差

反射鏡10℃均勻溫升加上自重變形引起的位置及面形誤差見表3。

表3 10℃均勻溫升加上自重變形引起的位置及面形誤差

反射鏡10℃均勻溫降加上自重變形引起的位置及面形誤差見表4。

表4 10℃均勻溫降加上自重變形引起的位置及面形誤差

分析結(jié)果表明，反射鏡支撐背板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，反射鏡在10℃均勻溫降加上自重變形的工況下，最大偏轉(zhuǎn)角3.41″（X軸），同樣最大剛體位移6.69μm（X軸），從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后反射鏡在3個不同工況下面形誤差均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，

能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 反射鏡面形檢測結(jié)果

在室溫20℃時，用Zygo干涉儀對反射鏡組件進(jìn)行面形檢測，如圖8所示。

圖8 Zygo干涉儀對反射鏡組件進(jìn)行面形檢測

反射鏡有效口徑面形誤差如圖9所示。

圖9 反射鏡有效口徑面形誤差

檢測結(jié)果顯示，檢測RMS值為0.017，其面形精度RMS值達(dá)到λ／50（λ＝632.8nm），說明鏡面面形精度受重力影響非常小，而且面形分布也比較均勻，沒有明顯的因支撐結(jié)構(gòu)帶來形變。

5 結(jié) 語

對反射鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，論述了柔性鉸鏈參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行反射鏡柔性支撐單元設(shè)計(jì)，完成了反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的靜態(tài)有限元分析，并在計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果的指導(dǎo)下，對反射鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的溫度適應(yīng)能力，提高了反射鏡的面形精度，對空間遙感器反射鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了一定的指導(dǎo)作用。

［1］吳清文.鏡面面形誤差的曲面方程處理方法［J］.光學(xué)精密工程，1998，6（6）：56-60.

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A space remote sensor mirror flexible supporting structure

ZHANG Jun
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China）

A flexible supporting structure for the fast steering mirror is with high rigidity and heatresistant stability.The surface shape accuracy RMS value reaches 1／50λ（λ＝632.8nm）when the temperature is within±10℃.

mirror；flexible support；imaging quality.

TB 133

A

1674-1374（2014）01-0030-06

2013-12-22

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（863251139）

張 軍（1962－），男，漢族，吉林長春人，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所副研究員，主要從事空間光學(xué)機(jī)械方向研究，E-mail：ccgqomh＠163.com.