本發(fā)明屬于空間光學(xué)領(lǐng)域，涉及高分辨率空間光學(xué)系統(tǒng)(如空間望遠(yuǎn)鏡)中關(guān)鍵組件與相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的熱匹配設(shè)計，尤其滿足航天領(lǐng)域的需求。

背景技術(shù)：

為了實現(xiàn)空間光學(xué)系統(tǒng)高分辨率觀測并滿足高信噪比要求，一般采用長焦距大口徑反射式光學(xué)系統(tǒng)。由此帶來了許多問題，一方面隨著反射鏡尺寸的增大，以及反射鏡面密度越來越小，反射鏡的柔性越來越大，反射鏡剛度越來越低，對于背部離散支撐形式的反射鏡組件，反射鏡剛度的下降會導(dǎo)致反射鏡因環(huán)境溫度變化及鏡體溫度梯度而產(chǎn)生的鏡面熱變形增大，影響遙感器成像質(zhì)量。

衛(wèi)星入軌后，主反射鏡組件及承力結(jié)構(gòu)會因為溫度的變化沿主鏡徑向產(chǎn)生較大的熱變形，由于所用材料不同，主反射鏡組件和承力結(jié)構(gòu)的熱變形量也不同，因此會對主鏡產(chǎn)生影響面形精度的熱應(yīng)力，從而降低相機(jī)的成像質(zhì)量。因此采用熱變形量可設(shè)計的支撐結(jié)構(gòu)，使支撐結(jié)構(gòu)的熱變形量與主反射鏡徑向熱變形量相匹配，使主反射鏡避免因結(jié)構(gòu)熱變形不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為主反射鏡組件與相機(jī)承力結(jié)構(gòu)間設(shè)計了一套板式支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)具有熱變形量可設(shè)計性，在較大的溫度范圍內(nèi)可以確保大口徑主反射鏡組件的徑向熱變形與承力結(jié)構(gòu)徑向熱變形相匹配，這保證了空間光學(xué)系統(tǒng)在軌工作過程中支撐結(jié)構(gòu)不會因為溫度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力進(jìn)而對反射鏡的面形精度產(chǎn)生影響。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)，包括主承力結(jié)構(gòu)(2)、熱變形量可設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)(3)；

熱變形量可設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)(3)包括：阻尼膠(33)、熱補償板(32)、連接板(31)；熱補償板(32)的橫截面為H型；連接板(31)為平板；

熱補償板(32)下端面與主承力結(jié)構(gòu)(2)連接，熱補償板(32)的上端面與連接板(31)的下端面連接，連接板(31)上端面與外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)連接；所述外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)包括反射鏡和bipod支撐結(jié)構(gòu)；

當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)線膨脹系數(shù)大于外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的反射鏡線膨脹系數(shù)時，熱補償板(32)材料為鋁合金或鈦合金，連接板(31)材料為銦鋼；

當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)線膨脹系數(shù)小于外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的反射鏡線膨脹系數(shù)時，熱補償板(32)材料為銦鋼，連接板(31)材料為鋁合金或鈦合金。

所述的一種熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)，其特征在于：主承力結(jié)構(gòu)(2)和熱補償板(32)連接方式為法蘭連接或螺紋連接；熱補償板(32)和連接板(31)連接方式為法蘭連接或螺紋連接；連接板(31)和外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)連接方式為法蘭連接。

連接板(31)上端面設(shè)置固定螺釘內(nèi)螺紋孔，bipod支撐結(jié)構(gòu)上也設(shè)置有與連接板(31)上端面的內(nèi)螺紋孔相對應(yīng)的固定孔，連接板(31)能夠與外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的bipod支撐結(jié)構(gòu)通過螺釘連接固定。

所述主承力結(jié)構(gòu)(2)徑向尺寸、熱補償板(32)徑向尺寸、連接板(31)徑向尺寸、反射鏡安裝位置到反射鏡軸線尺寸，如圖1所示，滿足如下關(guān)系：

α₁L₁+α₃L₃-α₂L₂＝α_mL_m (1)

L₂＝L₃ (2)

式中：

L₁——主承力結(jié)構(gòu)徑向尺寸；主承力結(jié)構(gòu)可以為圓形；

L₂——熱補償板徑向尺寸；熱補償板可以為圓形；

L₃——連接板徑向尺寸；連接板可以為圓形；

L_m——反射鏡安裝位置到反射鏡軸線尺寸；

α₁——主承力結(jié)構(gòu)線膨脹系數(shù)；

α₂——熱補償板線膨脹系數(shù)；

α₃——連接板線膨脹系數(shù)。

α_m——反射鏡線膨脹系數(shù)。

所述熱補償板(32)具有一定厚度，熱補償板(32)的上端面開設(shè)有矩形凹槽，熱補償板(32)的下端面開設(shè)有矩形凹槽，深度為h；熱補償板(32)的下端面開設(shè)有和上端面深度相同的矩形凹槽，熱補償板(32)厚度h₁、連接板(31)厚度h₂，熱補償板(32)、連接板(31)寬度相等為b，反射鏡組件總質(zhì)量為m，如圖3所示。為確保大口徑反射鏡組件地面試驗階段能復(fù)現(xiàn)與在軌工作時相同的性能，應(yīng)滿足的關(guān)系為:

mgμ_2s≤α₂E₂ΔT(h₁-2h)b (3)

mgμ_3s≤α₃E₃ΔT h₂b (4)

式中:

m——反射鏡組件總質(zhì)量；

g——重力加速度；

μ_2s——熱補償板與主承力結(jié)構(gòu)間摩擦系數(shù)；

μ_3s——連接板與熱補償板間摩擦系數(shù)；

α₂——熱補償板線膨脹系數(shù)；

α₃——連接板線膨脹系數(shù)；

E₂——熱補償板彈性模量；

E₃——連接板彈性模量；

ΔT——溫度變化范圍，ΔT≤5℃；

h₁——熱補償板厚度，h₁≤15mm；

h₂——連接板厚度，h₂≤15mm；

h——熱補償板開設(shè)的矩形凹槽深度，h＝(1/3～1/4)h₁；

b——熱補償板、連接板寬度；熱補償板、連接板可以為矩形，寬度為短邊長度；

所述熱補償板(32)的上端面的矩形凹槽內(nèi)填充阻尼膠(33)，熱補償板(32)的下端面的矩形凹槽填充阻尼膠(33)，阻尼膠(33)的阻尼特性由具體的減振要求確定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)目前國內(nèi)外的大口徑光學(xué)遙感相機(jī)在軌環(huán)境下主要通過柔性環(huán)節(jié)的變形來釋放主反射鏡組件與承力結(jié)構(gòu)熱變形不匹配的問題，然而隨著主反射鏡口徑的增大，反射鏡面型精度對熱應(yīng)力的靈敏度越來越高，單純通過柔性變形釋放熱變形已經(jīng)無法滿足高分辨率相機(jī)大口徑反射鏡面型精度要求，本發(fā)明與現(xiàn)有通過柔性變形釋放熱應(yīng)力的技術(shù)相比優(yōu)點在于：熱變形量可設(shè)計的支撐結(jié)構(gòu)在一定溫度范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)主反射鏡組件與承力結(jié)構(gòu)間徑向熱變形完全匹配，不會對反射鏡組件產(chǎn)生熱應(yīng)力，保證反射鏡在軌成像過程中的面型精度。本發(fā)明可以應(yīng)用在口徑2米以上圓形或長方形空間輕量化反射鏡上。

(2)本發(fā)明主承力結(jié)構(gòu)(2)和熱補償板(32)連接方式為法蘭連接或螺紋連接；熱補償板(32)和連接板(31)連接方式為法蘭連接或螺紋連接；連接板(31)和外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)連接方式為法蘭連接。該種連接固定方式可靠性高且能夠完全限制各個零件間的六個自由度，確保大口徑反射鏡組件具有較高的位置精度。

(3)本發(fā)明熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)其優(yōu)點在于：根據(jù)主承力結(jié)構(gòu)(2)、反射鏡所用材料的不同根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)對熱變形量可設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)(3)進(jìn)行熱變形設(shè)計，實現(xiàn)衛(wèi)星入軌后在較大的溫度變化條件下反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)與主承力結(jié)構(gòu)(2)徑向熱變形完全匹配，從而消除了熱應(yīng)力導(dǎo)致反射鏡面型精度下降對大口徑反射鏡遙感衛(wèi)星在軌成像質(zhì)量的影響。

(4)本發(fā)明熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)其優(yōu)點在于：地面測試階段存在重力作用的影響，而衛(wèi)星在軌成像是失重狀態(tài)，為保證大口徑反射鏡組件性能實現(xiàn)天地一致性，根據(jù)公式(3)、(4)對熱變形量可設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)(3)進(jìn)行設(shè)計，可以消除大口徑反射鏡組件在地面測試、溫度變化時由重力作用產(chǎn)生的摩擦力引入的對大口徑反射鏡組件性能產(chǎn)生的不良影響。保證大口徑反射鏡組件在軌性能與地面測試性能的一致性。

(5)本發(fā)明熱補償板(32)的上端面的矩形凹槽內(nèi)填充阻尼膠(33)，熱補償板(32)的下端面的矩形凹槽填充阻尼膠(33)，利用阻尼膠的減振性能保證大口徑反射鏡遙感衛(wèi)星順利通過發(fā)射過程力學(xué)振動環(huán)境。阻尼膠(33)的阻尼特性由具體的減振條件確定。

附圖說明

圖1為熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)剖面圖。

具體實施方式

本發(fā)明的基本思路為：一種熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)，包括主承力結(jié)構(gòu)(2)、熱變形量可設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)(3)。該支撐結(jié)構(gòu)用來解決空間大口徑反射鏡與其支撐結(jié)構(gòu)線膨脹系數(shù)不匹配而引入的熱應(yīng)力問題。熱變形量可設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)(3)包括：阻尼膠(33)、熱補償板(32)、連接板(31)。阻尼膠(33)填充在熱補償板(32)上下端面開設(shè)的矩形槽內(nèi)。熱補償板(32)下端面與主承力結(jié)構(gòu)(2)連接，熱補償板(32)的上端面與連接板(31)的下端面連接，連接板(31)上端面與外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)連接。當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)線膨脹系數(shù)大于外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的反射鏡線膨脹系數(shù)時，熱補償板(32)材料為鋁合金或鈦合金，連接板(31)材料為銦鋼；當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)線膨脹系數(shù)小于外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的反射鏡線膨脹系數(shù)時，熱補償板(32)材料為銦鋼，連接板(31)材料為鋁合金或鈦合金。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，利用主承力結(jié)構(gòu)(2)、熱補償板(32)、連接板(31)熱變形方向不同的特點，通過設(shè)計熱補償板(32)及連接板(31)的尺寸實現(xiàn)反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)端徑向熱變形與主承力結(jié)構(gòu)(2)徑向熱變形相匹配，從而消除徑向熱應(yīng)力對反射鏡面型精度的影響。

本發(fā)明一種熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)，包括主承力結(jié)構(gòu)(2)、熱變形量可設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)(3)。該支撐結(jié)構(gòu)用來解決空間大口徑反射鏡組件與其支撐結(jié)構(gòu)線膨脹系數(shù)不匹配而引入的熱應(yīng)力問題。熱變形量可設(shè)計的承力結(jié)構(gòu)(3)包括：阻尼膠(33)、熱補償板(32)、連接板(31)。熱補償板(32)下端面與主承力結(jié)構(gòu)(2)連接，熱補償板(32)的上端面與連接板(31)的下端面連接，連接板(31)上端面與外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)連接。當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)線膨脹系數(shù)大于外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的反射鏡線膨脹系數(shù)時，熱補償板(32)材料為鋁合金或鈦合金，連接板(31)材料為銦鋼；當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)線膨脹系數(shù)小于外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的反射鏡線膨脹系數(shù)時，熱補償板(32)材料為銦鋼，連接板(31)材料為鋁合金或鈦合金。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，利用主承力結(jié)構(gòu)(2)、熱補償板(32)、連接板(31)熱變形方向不同的特點，通過設(shè)計熱補償板(32)及連接板(31)的尺寸實現(xiàn)反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)端徑向熱變形與主承力結(jié)構(gòu)(2)徑向熱變形相匹配，從而消除徑向熱應(yīng)力對反射鏡面型精度的不良影響，確保大口徑光學(xué)遙感器在軌成像質(zhì)量優(yōu)良。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。

熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。結(jié)構(gòu)由阻尼膠(33)、熱補償板(32)、連接板(31)組成。熱補償板(32)下端面與主承力結(jié)構(gòu)(2)連接，熱補償板(32)的上端面與連接板(31)的下端面連接，連接板(31)上端面與外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)連接；

當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)線膨脹系數(shù)大于外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的反射鏡線膨脹系數(shù)時，熱補償板(32)材料為鋁合金或鈦合金，連接板(31)材料為銦鋼；

當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)線膨脹系數(shù)小于外部反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)(1)的反射鏡線膨脹系數(shù)時，熱補償板(32)材料為銦鋼，連接板(31)材料為鋁合金或鈦合金。

在軌工作時，當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)(2)受熱膨脹時，熱補償板(32)與主承力結(jié)構(gòu)(2)的熱變形方向相反，連接板(31)與主承力結(jié)構(gòu)(2)熱變形方向相同，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，利用主承力結(jié)構(gòu)(2)、熱補償板(32)、連接板(31)熱變形方向不同的特點，通過設(shè)計熱補償板(32)及連接板(31)的尺寸實現(xiàn)連接板(31)自由端相對于主承力結(jié)構(gòu)(2)基準(zhǔn)端的綜合熱變形量為目標(biāo)熱變形量值，目標(biāo)熱變形量既為反射鏡安裝位置到反射鏡軸線的變形量。

如圖1所示，根據(jù)上述熱變形量可設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)原理可得到下式：

α₁L₁+α₃L₃-α₂L₂＝α_mL_m (1)

L₂＝L₃ (2)

式中：

L₁——主承力結(jié)構(gòu)徑向尺寸；

L₂——熱補償板徑向尺寸；

L₃——連接板徑向尺寸；

L_m——反射鏡安裝位置到反射鏡軸線尺寸；

α₁——主承力結(jié)構(gòu)線膨脹系數(shù)；

α₂——熱補償板線膨脹系數(shù)；

α₃——連接板線膨脹系數(shù)。

α_m——反射鏡線膨脹系數(shù)。

根據(jù)式(1)、(2)及實際情況下反射鏡、主承力結(jié)構(gòu)(2)所用材料的物理參數(shù)可得到反射鏡安裝位置到反射鏡軸線尺寸自由膨脹所需的熱補償板(32)及連接板(31)的徑向尺寸。

優(yōu)選方案為：對于口徑的反射鏡組件，當(dāng)主承力結(jié)構(gòu)材料為鈦合金、反射鏡材料為SiC、熱償板材料為鋁合金、連接板材料為殷鋼時，L₁根據(jù)反射鏡組件支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)選范圍為1.9m～2.1m、Lm根據(jù)反射鏡的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計得到，根據(jù)經(jīng)驗公式優(yōu)選為1.5m～1.6m。取L₁＝2m、L_m＝1.6m則根據(jù)公式(1)、(2)得到L₂＝L₃＝0.645m。

根據(jù)上述結(jié)果，在優(yōu)選20℃±5℃溫度變化范圍內(nèi)，反射鏡的面型精度RMS為1/38λ(λ＝632.8nm)，相比于沒有熱變形量可設(shè)計大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)條件下的反射鏡面型精度RMS＝1/5.2λ(λ＝632.8nm)性能提高了7.3倍，結(jié)果表明熱變形量可設(shè)計的大口徑反射鏡組件承力結(jié)構(gòu)能夠消除熱應(yīng)力對面型精度的影響，使口徑以上的光學(xué)元件在較大的溫度變化范圍內(nèi)具有良好的面型精度，解決了高分辨率大口徑光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌成像過程中熱應(yīng)力對面型精度影響的關(guān)鍵技術(shù)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。