一種空間遙感器反射鏡柔性支撐結構

張 軍

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

一種空間遙感器反射鏡柔性支撐結構

張 軍

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

設計了剛度高、熱適應強的反射鏡柔性支撐結構。通過有限元模型分析，該支撐結構中的反射鏡在±10℃的環境溫度變化下，其反射鏡面形精度RMS值達到1／50λ（λ＝632.8nm）。

反射鏡；柔性支撐；成像質量

0 引 言

1 反射鏡支撐結構設計

1.1 反射鏡支撐結構

按照反射鏡的支撐位置，可以分為中心支撐、周邊環形支撐、側面支撐、背部多點支撐等形式，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生的變形量一般最大。

側邊支撐和周邊環形支撐一般都不單獨應用于空間反射鏡支撐，因為這兩種支撐方式都要依靠重力的作用。空間用反射鏡需要滿足變方位安裝要求，即當重力作用方向變化時，反射鏡都能滿足使用要求。

背部多點支撐是指在光學反射鏡的背部為定位基準的支撐方式。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量和深度的盲孔，采用膠結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生的結構應力［3］。

因此，我們可選擇背部三點支撐形式，除此之外，還可以采用基于半運動學定位原理的復合支撐方式，即背部三點支撐和側面兩點輔助支撐。

1.2 反射鏡組件結構

4.2 生態效益 金花茶是常綠灌木至小喬木，通過項目建設利于保持水土、涵養水源、調節氣候、生態環境保護。紫檀樹內含根瘤菌，可以固氮保水、改良土壤結構、提高地力，項目實施不但對周圍環境沒有污染，而且提高森林質量和覆蓋率，對改善當地小氣候具有促進作用。

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

圖2 反射鏡支撐結構

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

圖3 柔性支撐單元

在反射鏡三點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連接處，將柔節與芯軸和軸套聯接，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材料線脹系數相近的銦鋼作為反射鏡背部支撐孔與支撐結構相連接的鑲嵌件，支撐結構件選擇高比剛度、高強度、低密度且加工工藝成熟的鈦合金制作，與支撐結構件相連的背部支撐背板則采用高比剛度、低線脹系數的高體份SiC／Al復合材料制作，具體材料屬性見表1。

表1 各部件材料屬性

2 柔性支撐單元參數優化

通過對柔性鉸鏈變形區主要參數的優化，不僅能夠消除反射鏡支撐系統在溫度變化時對面形精度的影響，而且可以避免在聯接和裝配當中產生的應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算確定［6］。

圖4 柔性鉸鏈界面剛度

單軸柔性鉸鏈的轉角剛度計算公式為：

t——最薄處厚度；ρ＝r／t。

通過計算分別求得R＝1mm，R＝1.5mm，R＝2mm時，對應t＝0.1～2.5mm的轉角剛度，以t為橫坐標，轉角剛度值為縱坐標，它們之間的關系曲線如圖5所示。

圖5 柔性鉸鏈轉角剛度對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角剛度影響較大，隨著t值的增加，轉角剛度呈二次曲線增加，而R值增加，轉角剛度減小，根據結構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角剛度和位移剛度，在柔性支撐單元結構設計中，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］進行靜態分析，如圖6所示。

圖6 反射鏡組件網格劃分

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

分析結果表明，反射鏡支撐背板結構優化后，反射鏡在10℃均勻溫降加上自重變形的工況下，最大偏轉角3.41″（X軸），同樣最大剛體位移6.69μm（X軸），從數據中可以發現，優化后反射鏡在3個不同工況下面形誤差均在設計范圍內，

能夠滿足設計要求。

4 反射鏡面形檢測結果

在室溫20℃時，用Zygo干涉儀對反射鏡組件進行面形檢測，如圖8所示。

圖8 Zygo干涉儀對反射鏡組件進行面形檢測

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

檢測結果顯示，檢測RMS值為0.017，其面形精度RMS值達到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構帶來形變。

5 結 語

對反射鏡支撐結構進行了優化設計，論述了柔性鉸鏈參數的設計方法，進行反射鏡柔性支撐單元設計，完成了反射鏡支撐結構的靜態有限元分析，并在計算機仿真分析結果的指導下，對反射鏡支撐結構進行優化設計，提高結構的溫度適應能力，提高了反射鏡的面形精度，對空間遙感器反射鏡支撐結構設計起到了一定的指導作用。

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

［2］曾勇強，博丹鷹，孫紀文，等.空間遙感器大口徑反射鏡支撐結構綜述［J］.航天返回與遙感，2006，27（2）：22-26.

［3］王永憲.基于有限元法的空間遙感器主鏡支撐位置的優化［J］.計算機輔助工程，2008，17（4）：14-18.

［4］傘兵，王志宏，王書新，等.多譜段照相機面陣CCD交錯拼接方法［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2011，32（6）：584-588.

［5］王富國，楊洪波，楊飛，等.大口徑主鏡軸向支撐點位置優化分析［J］.紅外與激光工程，2007，36（6）：45-51.

［6］付亮亮.小型反射鏡支撐方案的設計與分析［J］.光學技術，2008，34（4）：76-80.

［7］徐加慧，夏立新，陳誠.基于有限元法的主鏡支撐優化分析［J］.機械設計與制造，2006，6（3）：67-70.

A space remote sensor mirror flexible supporting structure

ZHANG Jun
（Changchun Institute of Optics，Fine 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高技術研究發展計劃資助項目（863251139）

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