本发明涉及空间光学遥感器技术领域，具体涉及一种大口径反射镜的支撑结构及支撑组件。
背景技术：
随着空间对地观测技术的发展，对空间遥感器的分辨率提出了越来越高的要求。大口径反射镜作为高分辨率空间遥感器的核心元件，其面形精度直接影响着空间遥感器的成像质量。为降低发射成本，通常对大口径反射镜进行高轻量化设计，这削弱了反射镜抵抗重力、温度及装配应力等外界环境的能力，从而影响反射镜的面形精度。反射镜的面形精度与反射镜的支撑结构有很大的关系，良好的支撑结构可以降低面形对重力、温度及装配应力等外界载荷的敏感度，因此反射镜支撑结构设计成为保证面形精度的重要环节。
大口径反射镜的支撑广泛采用如图1所述的支撑结构，包括嵌套101，嵌套101的外环面a与反射镜内孔进行全面积粘接；还包括与反射镜背板通过螺钉连接的柔性支撑杆102，柔性支撑杆102通过螺钉与嵌套101连接，柔性支撑杆102上设置有l型柔槽103，用于释放外部反射镜组件安装板带来的热应力和装配应力。
上述支撑结构存在的缺陷是：
1、为削弱温度载荷导致的热应力，嵌套101采用可调节线膨胀系数的铁镍合金，与反射镜材料线膨胀系数进行匹配，达到镜体材料、嵌套材料及粘接剂三者的变形协调。然而在宽温度工况(例如温度变化范围大于±5℃)下或者应用到线膨胀系数较小的ule(接近零膨胀)和微晶镜体时，镜体、嵌套与粘接剂三者的变形难以协调，从而产生较大的热应力，带来面形稳定性差的问题。同时，胶层固化时胶层收缩会产生拉应力，将分别作用于嵌套和反射镜，嵌套101刚性较大，抗变形能力强，从而易导致反射镜粘接区域镜面鼓包变形。
2、在嵌套101的a面涂胶与主镜孔环带全面积粘接，结合界面连接成片，均匀性差，易产生局部缺胶或根部胶水堆积溢出，胶水堆积处产生较大局部应力，不利于反射镜获得高的面形精度。
3、柔性支撑杆102在卸载重力引起的变形时，受其垂直交叉的l型柔槽限制，仅能产生较为单一的变形，因此会残留一部分外部反射镜组件安装板带来的装配应力，这对小型反射镜影响较小，但对于面形精度要求高的大口径反射镜来说，则会产生比较明显的面形误差。
上述缺陷都是由于支撑结构中存在应力而影响反射镜的面形精度，降低了反射镜面形的稳定性，从而影响空间遥感器的成像质量。
技术实现要素：
本发明提供一种大口径反射镜的支撑结构，以解决现有支撑结构中存在的热应力影响反射镜面形精度的问题，进一步地还解决了粘接应力及装配应力对反射镜面形精度影响的问题，实现对大口径反射镜的低应力高稳定性支撑。
本发明的技术解决方案是：一种大口径反射镜的支撑结构，包括嵌套与支撑柔铰，所述嵌套外壁与反射镜镜孔固连，所述支撑柔铰的一端与所述嵌套固定连接，支撑柔铰的另一端与外部反射镜组件安装板固定连接，其特殊之处在于，所述嵌套包括嵌套本体，嵌套本体的端面上沿周向均布n段等弧度等宽度并在轴向上贯穿嵌套的沟槽，其中n为大于等于2的自然数。采用上述沿周向均布的弧形沟槽即可有效地消除支撑结构中存在的热应力。
更进一步地，沟槽与嵌套外壁之间的距离小于与嵌套内壁之间的距离，沟槽与嵌套外壁之间为挠性薄片。该挠性薄片可降低支撑结构的局部刚度，进一步地释放温度变化较大时镜体、嵌套与粘接剂三者的变形难以协调而产生的热应力及胶层固化收缩而产生的应力。
为了消除粘接应力，嵌套本体与反射镜镜孔采用小面积粘接方式，具体地，在嵌套外壁设置若干注胶孔，即：沿沟槽内壁开设若干向嵌套本体中心方向凹进的等间距排布的键槽，所述键槽沿嵌套本体周向排布，并轴向贯穿嵌套本体；嵌套本体的外侧面上开有与键槽垂直相通的若干注胶孔。
更进一步地，n等于3，所述沟槽的弧度为90°，每一段沟槽沿其内壁开设有四个键槽，每一段沟槽对应2×4的注胶孔阵列，每一个键槽对应两个注胶孔。
更进一步地，所述嵌套本体与反射镜之间的间隙小于等于0.02mm，以保证注胶后胶层分布均匀，确保粘接可靠。
更进一步地，所述嵌套还包括设置在嵌套端面的环状连接面；所述支撑柔铰包括环状连接底座、支撑筒及m个柔性支腿，其中m为大于等于3的自然数；环状连接底座与嵌套的环状连接面匹配并通过螺钉与嵌套连接面连接；m个柔性支腿沿环状连接底座的径向设置，并沿环状连接底座端面的圆周方向均匀分布，所述柔性支腿的一端固定在环状连接底座的端面上，所述柔性支腿的另一端与支撑筒的筒体侧壁固定；
各柔性支腿上设置有一个“l”型通槽、若干相互平行的纵向通槽，“l”型通槽的竖向部分长度与纵向通槽长度相等且小于柔性支腿的沿支撑筒轴向的高度，“l”型通槽的竖向部分与纵向通槽平行且均垂直于环状连接底座的端面；所述纵向通槽包括第一纵向通槽与第二纵向通槽，第一纵向通槽沿柔性支腿的顶端向下设置，第二纵向通槽沿柔性支腿的底端向上设置；“l”型通槽位于环状连接底座的端面的正上方，所述“l”型通槽的竖向部分与第二纵向通槽等高。
更进一步地，m等于3，3个柔性支腿沿环状连接底座端面的圆周方向均匀分布。
更进一步地，所述嵌套的材料为铁镍合金；所述支撑柔铰的材料为tc17。
更进一步地，嵌套本体通过环氧树脂胶与反射镜内孔粘接。
本发明还提供一种大口径反射镜的支撑组件，包括上述支撑结构，还包括与不同位置高度的注胶孔对应的不同长度的辅助注胶钉，所述辅助注胶钉开设有“l”型注胶通道；注胶通道的出口端直径与注胶孔直径相等。通过上述辅助注胶孔便于经注胶孔向嵌套与反射镜的间隙内注胶，且可剪切残余粘结剂，从而有效消除粘接应力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在嵌套上设置沟槽，沟槽与嵌套外壁之间的距离小于与嵌套内壁之间的距离，沟槽与嵌套外壁之间为挠性薄片，沟槽和挠性薄片降低了支撑结构的局部刚度，有效释放温度变化较大时镜体、嵌套与粘接剂三者的变形难以协调而产生的热应力及胶层固化收缩而产生的应力，实现对大口径反射镜的低应力高稳定性支撑。
2、该支撑结构在挠性薄片上设置阵列分布的注胶孔，通过辅助注胶钉经注胶孔注射粘接剂，解决了传统涂胶方式存在的粘结区域连接成片、胶量无法控制、胶层分布不均匀、粘接剂残留和粘接剂溢出等问题，避免了粘接剂残余应力对反射镜面形的影响。
3、支撑结构的支撑柔铰上沿环状连接底座的端面均布多组柔性支腿，提供了沿反射镜轴向、径向及其他任意方向的挠性，可充分释放外部反射镜组件安装板引入的热应力和装配应力，保证了反射镜的面形精度。
附图说明
图1为现有的大口径反射镜的柔性支撑结构的示意图；
图2为本发明的大口径反射镜支撑结构的剖面图；
图3为本发明支撑结构中嵌套的结构示意图；
图4为本发明的辅助注胶钉插入键槽后的剖视图；
图5为本发明的辅助注胶钉移除残余粘结剂的结构示意图；
图6为本发明注胶完成后嵌套外侧面展开效果图；
图7为本发明支撑结构中支撑柔铰的结构图；
图8为本发明支撑结构中支撑柔铰的剖面图；
图中附图标记为：101-嵌套；102-柔性支撑杆；103-l型柔槽；1-反射镜；2-支撑柔铰；3-螺钉；4-嵌套；5-环氧树脂胶；6-锥面；7-挠性薄片；8-沟槽；9-键槽；10-注胶孔；11-刚性连接段；12-辅助注胶钉；13-注胶通道；14-注胶通道的出口端；15-嵌套与反射镜的间隙；16-胶斑；17-残余粘接剂；18-辅助注胶钉外侧面；19-法兰；20-环状连接面；21-环状连接底座；22-支撑筒；23-柔性支腿；24-第一纵向通槽；25-第二纵向通槽；26-“l”型通槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
从图2可以看出，本发明的支撑结构包括嵌套4和支撑柔铰2，嵌套4外壁与反射镜镜孔固连，支撑柔铰2的一端通过螺钉3与嵌套4连接，另一端通过顶端的法兰19与外部反射镜组件安装板连接；反射镜1材料为超低膨胀融石英(ule)，嵌套4的材料采用与ule线膨胀系数匹配的铁镍合金，反射镜1通过环氧树脂胶5与嵌套4粘接；支撑柔铰2的材料为tc17。装配时，反射镜1倒扣，嵌套4垂直放入反射镜镜孔里，通过直径为0.02mm的金属线保证嵌套与反射镜镜孔之间的间隙为0.02mm，确保注胶后胶层分布均匀，粘接可靠。
从图3可以看出，嵌套4包括嵌套本体及设置在嵌套端面的环状连接面20，嵌套本体的外侧面为与反射镜镜孔相适配的锥面6，嵌套4的端面上沿周向均布三段在轴向上贯穿嵌套4的等弧度等宽度的沟槽8(也可称之为槽孔)，沟槽8与嵌套4外壁之间的距离小于与嵌套4内壁之间的距离，使得沟槽8的外侧形成等弧度的挠性薄片7。通过挠性薄片7和沟槽8，降低嵌套4的刚度，释放温度变化较大时因嵌套4、环氧树脂胶5与反射镜1三者的变形难以协调而产生热应力及胶层固化收缩而产生的应力；三段沟槽8互不相通，以保证嵌套4保留一定的刚性。
挠性薄片7和沟槽8的弧度均为90°，挠性薄片上设置有2×4的注胶孔阵列；沿沟槽8内壁开设四个向嵌套本体中心方向凹进的等间距排布的键槽9，四个键槽9沿嵌套本体周向排布，并轴向贯穿嵌套本体，注胶孔10与键槽9垂直相通，本实施例中的每个键槽对应两个注胶孔10。
从图4可以看出，本发明的支撑组件包括支撑结构和辅助注胶钉12，辅助注胶钉12开设有“l”型注胶通道13；注胶通道的出口端14直径与注胶孔10直径相等。不同长度的辅助注胶钉对应不同位置高度的注胶孔。本实施例中设置两组不同长度的辅助注胶钉，分别通过相应位置高度的注胶孔向内进行注胶。
注胶时，将辅助注胶钉12插入键槽9中，注射器通过注胶通道13向内注胶，环氧树脂胶经注胶通道的出口端14流入注胶孔10后进入嵌套与反射镜之间的间隙15中，通过控制注射压力和注胶量使胶层呈离散胶斑形式分布，胶层固化后形成固定直径的胶斑16，如图6所示。固定直径的离散胶斑，使嵌套本体与反射镜镜孔之间采用小面积粘接方式，避免了粘接区域连接成片及胶层分布不均匀的问题，从而消除粘接应力，同时保证粘接质量，。
具体实施时，胶斑16直径与注射压力和注胶量之间的关系，通过多次注射试验标定，环氧树脂胶5采用黑色胶，所以胶斑尺寸易于测定。
如图5所示，注胶完成后，待胶层固化一段时间，拔出辅助注胶钉12，此时注胶通道13和注胶通道的出口端14堆积的残余粘接剂17将被辅助注胶钉12的外侧面18剪切掉，从而降低了注胶孔位置余胶堆积产生的局部应力。
从图7与图8可以看出，支撑柔铰2包括环状连接底座21、支撑筒22及三个柔性支腿23，环状连接底座21与嵌套的环状连接面20匹配并通过螺钉与环状连接面20连接；三个柔性支腿23沿环状连接底座21的径向设置，并沿环状连接底座21端面的圆周方向均布，柔性支腿23的一端固定在环状连接底座21上，柔性支腿23的另一端与支撑筒22的筒体侧壁固定。本实施例中柔性支腿23、环状连接底座21及支撑筒22为一体设置。
各柔性支腿上设置有一个“l”型通槽26、相互平行的第一纵向通槽24及第二纵向通槽25，“l”型通槽26的竖向部分长度与第一纵向通槽24及第二纵向通槽25的长度相等且小于柔性支腿沿支撑筒轴向的高度；
第一纵向通槽24沿柔性支腿23的顶端向下设置，第二纵向通槽25沿柔性支腿23的底端向上设置；“l”型通槽26位于环状连接底座21的端面的正上方，“l”型通槽的竖向部分与第二纵向通槽等高；此处，顶端与底端是相对于图7所示的方向描述，当图的方向发生变化时，顶端与底端也随图的方向变化。
当受到外界温度载荷或存在装配公差情况下，“l”型通槽26的横向部分为反射镜提供沿轴向的挠性，“l”型通槽26的竖向部分、第一纵向通槽24及第二纵向通槽25为反射镜提供沿径向的挠性，三组柔腿相互协调，可充分释放与外部反射镜组件安装板装配过程中引入的热应力和装配应力。