空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构的制作方法

本发明涉及空间光学遥感技术领域，具体涉及一种空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构。

背景技术：

空间光学遥感器作为一种精密的光学遥感系统已在地球地貌测绘、地球资源勘测、外太空天文与行星观测和国防信息普查等方面得到了广泛应用。反射镜作为空间光学遥感器的核心组成元件，其安装定位精度和支撑面形精度对光学系统成像质量有着很大的影响。为了降低反射镜的重量，减小运载和发射成本同时提高反射镜的一阶自然频率，空间光学遥感器的主镜就必须进行轻量化设计。但反射镜的轻量化设计会使得镜体的绝对刚度下降，而且因受重力释放、热载荷和装配应力的影响会产生镜面的面形精度下降。因此空间反射镜必须要有性能良好的支撑结构用来减小以上不良因素造成的反射镜面形精度恶化，提高空间光学遥感器的成像质量。

传统的圆形反射镜支持方式有周边支撑、侧面支撑、背部中心支撑和背部多点支撑等。如周边支撑以反射镜背面或外缘为基准，应用于口径较小的反射镜上能保持较好的面形精度，但在较大口径的反射镜上使用时会产生比较严重的镜面变形。侧面支撑常用的柔性结构为bipod型支撑，这种支撑采用柔性设计并且轴向和径向的刚度较大，但需要布置在圆形反射镜侧面增加了定位难度；背部中心式的支撑方式只适用于小型反射镜和地基反射镜的支撑，对于大型反射镜来说这种形式的支撑方式带来的支撑应力集中大，定位精度和面形精度难以保证。

公布号为cn102902042a的一篇名为《一种大口径反射镜的复合柔性支撑结构》的中国发明专利。参见附图1所示，该柔性支撑结构包括与反射镜进行小面积粘接的小粘接面锥套e、与反射镜背板相连的复合柔性支撑杆d；小粘接面锥套e与复合柔性支撑杆d通过螺钉相连、复合柔性支撑杆d上设置有l形沟槽和环形沟槽两层柔性结构，4个l形沟槽沿着复合柔性支撑杆d周线平行，后段与轴线成60度夹角；内外环形沟槽f、g均由沿着圆周均布、宽度和弧度均相同的4段弧形槽组成。该柔性支撑有效减小了在重力和热载荷影响下的镜面变形，同时小粘接面i保证了粘接残余应力下的镜面面形精度。但存在的缺点为：l形沟槽和环形沟槽的柔度不够大，在大口径反射镜重力、外界振动、热载荷等外界应力较大时能产生的柔性变形较小，可能导致一部分应力传递到镜体上产生严重的镜面变形；另一方面粘接面i太小，考虑到粘接剂可能涂抹不均匀和太空中的挥发问题，锥套和反射镜盲孔胶接的粘接面应进行调整扩大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够解决空间光学遥感器大型圆形反射镜的背部支撑问题、消除反射镜装配过程中产生的装配盈利和重力变形对反射镜镜面面形精度的影响、提高温度适应性、降低传统支撑结构定位精度对成像质量的影响的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构柔性支撑结构。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构，该柔性支撑结构主要包括：

柔性支撑单元；

与所述柔性支撑单元装配固定、并套设于所述柔性支撑单元上部的殷钢套；

所述柔性支撑单元沿其周向形成有多个置于同一截面的柔性簧带铰链，且相邻所述柔性簧带铰链之间开设有沿所述柔性支撑单元周向延伸的柔性曲线槽。

进一步的，所述柔性支撑单元整体为圆柱体结构，且套于所述柔性支撑单元上部的所述殷钢套呈下端开放的圆筒结构；

所述柔性支撑单元的周向均布有四个所述柔性簧带铰链，且四个所述柔性簧带铰链两两互成一定角度地形成于所述柔性支撑单元上；

互成一定角度的两个所述柔性簧带铰链之间形成有所述柔性曲线槽。

进一步的，所述柔性曲线槽靠近所述柔性簧带铰链一端均形成有圆形曲槽。

进一步的，所述柔性曲线槽分为两部分，分别为靠近所述圆形曲槽并与所述柔性支撑单元的轴线呈一定角度地倾斜延伸的倾斜柔性曲线段、以及形成于两个所述倾斜柔性曲线段之间并沿水平方向延伸于所述柔性支撑单元周向的水平柔性曲线段。

进一步的，所述倾斜柔性曲线段与所述柔性支撑单元的轴线所成角度为40°至60°；

所述水平柔性曲线段与所述柔性支撑单元的轴线垂直。

进一步的，所述柔性支撑结构集成于空间光学遥感器大型圆形反射镜的反射镜组件内，所述反射镜组件包括反射镜镜体、以及形成于所述反射镜镜体背面的基板，所述反射镜镜体与所述基板之间装配有多个如上所述的柔性支撑结构。

进一步的，所述反射镜镜体的背面沿其周向开设有三个支撑盲孔，每个所述支撑盲孔内均嵌装一所述柔性支撑结构；

所述柔性支撑结构的下端具有与所述基板通过紧固螺栓固连法兰安装凸台；

所述柔性支撑结构的殷钢套通过环氧树脂粘粘于所述支撑盲孔内，且所述殷钢套与所述柔性支撑单元通过螺栓紧固、并通过定位销定位。

进一步的，所述柔性支撑单元的上端形成为与所述殷钢套连接的连接端，所述柔性支撑单元的连接端的轴线处开设有中心孔，所述柔性支撑单元的连接端上围绕所述中心孔均布有多个螺栓孔；

所述殷钢套上开设有与所述柔性支撑单元的连接端的中心孔和螺栓孔对应的孔；

所述中心孔用以穿设定位销；

所述柔性支撑单元和殷钢套的紧固螺栓装配于所述螺栓孔处。

进一步的，所述殷钢套具有与所述支撑盲孔粘贴固定的粘接面、以及形成于所述殷钢套顶端的圆柱面；

所述粘接面为斜度为1:18的圆锥面；

所述殷钢套的材料型号为4j36，且所述殷钢套的热膨胀系数与所述反射镜镜体的热膨胀系数一致。

进一步的，所述柔性支撑单元的材料为tc4，且所述柔性支撑单元的柔性曲线槽的切割部位的表面粗糙镀优于0.8。

在上述技术方案中，本发明提供的柔性支撑结构及空间光学遥感器用大型圆形反射镜组件具有以下有益效果：

首先，本发明公开了空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构，以三点式轮辐型柔性支撑单元为主要消除应力的部件，装配上以螺栓、定位销为主要紧固和定位部件，能够确保安装时，柔性支撑单元、殷钢套、反射镜镜体、基板之间形成精准定位；

另外，本发明的柔性支撑单元为一种沿圆周均匀分布的轮辐型柔性铰链，且相邻的两个倾斜簧片柔性铰链互成角度，同时，相邻的柔性簧带铰链之间开设有柔性曲线槽，柔性曲线槽由绕簧带中心转动的柔度并同时保持较大的离轴刚度。当有外界施加载荷而产生应力时，柔性曲线槽产生形变，吸收应变能、并阻止应力传递到反射镜镜体，确保了镜面的面形精度，减小了反射镜在重力作用下的应力集中，并保证反射镜的面形精度不超出光学设计的允差值。

最后，本发明的反射镜组件中四处柔性支撑单元对反射镜镜体形成了等效于三个球铰链的完全运动学约束而没有引入过约束，实现了对反射镜镜体的精密安装定位。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种大口径反射镜的复合柔性支撑示意图；

图2为本发明实施例提供的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构的柔性支撑单元的主视图一；

图3为本发明实施例提供的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构的结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构的主视图二；

图5为本发明实施例提供的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构的水平剖视图；

图6为本发明实施例提供的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构柔性支撑结构与反射镜组件装配时的结构剖视图；

图7为本发明实施例提供的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构的柔性支撑结构与反射镜组件装配时的结构爆炸图；

图8为本发明实施例提供的空间光学遥感器大型圆形反射镜用柔性支撑结构的柔性支撑结构与反射镜组件装配时的结构示意图。

附图标记说明：

1、反射镜镜体；2、殷钢套；4、基板；6、柔性曲线槽；7、圆形曲槽；i、粘接面；

101、支撑盲孔；

301、柔性支撑单元；302、法兰安装凸台；

30101、中心孔；30102、螺栓孔；

501、第一柔性簧带铰链；502、第二柔性簧带铰链；503、第三柔性簧带铰链；504、第四柔性簧带铰链；

601、倾斜柔性曲线段；602、水平柔性曲线段。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

实施例一：

参见图2所示，本发明实施例一提供的柔性支撑结构，该柔性支撑结构主要包括：

柔性支撑单元301；

与柔性支撑单元301装配固定、并套设于柔性支撑单元301上部的殷钢套2；

柔性支撑单元301沿其周向形成有多个置于同一截面的柔性簧带铰链，且相邻柔性簧带铰链之间开设有沿柔性支撑单元301周向延伸的柔性曲线槽6。

具体的，本实施例一主要公开了一种柔性支撑结构，其以柔性支撑单元301为主体，并配合该柔性支撑单元301地设置有一套设在柔性支撑单元301上端的殷钢套2，同时，为了能够在对该柔性支撑结构施加外力时能够很好地消除应力，本实施例一的柔性支撑单元301周向加工有上述柔性簧带铰链、以及连接相邻柔性簧带铰链并形成于柔性支撑单元301周向的柔性曲线槽6，当外界有力时，力传递至该柔性簧带铰链和柔性曲线槽6处，能够通过柔性曲线槽6的形变来消除应力，避免应力传递至与该柔性支撑结构配合的装置上。

参见图2至图5所示，优选的，柔性支撑单元301整体为圆柱体结构，且套于柔性支撑单元301上部的殷钢套2呈下端开放的圆筒结构；

柔性支撑单元301的周向均布有四个柔性簧带铰链，且四个柔性簧带铰链两两互成一定角度地形成于柔性支撑单元301上；

互成一定角度的两个柔性簧带铰链之间形成有上述柔性曲线槽6。

本实施例以柔性支撑单元301最优选地圆柱形结构为事例做了进一步详细说明：首先，柔性支撑单元301呈圆柱体结构，而套设在其上端的殷钢套2也呈与圆柱体结构配合的圆筒结构，同时，本实施例一的柔性支撑单元301将其上的柔性簧带铰链分布形成为轮辐型(轮辐型结构可以参考汽车轮毂的结构和内部支撑杆的分布情况)，另外，一方面需要确保能够在外力施加在其上时消除掉应力、另一方面由于本实施例的柔性簧带铰链和柔性曲线槽6都是通过机加工(或者是其他加工方式，一般为切削)形成有柔性支撑单元301本体上，因此需要考虑到开槽后的结构稳定性问题，所以，经过设计与实践，本实施例得出了最为优选的技术方案：即上述的在圆柱形柔性支撑单元301的同一截面上形成四个柔性簧带铰链，分别为第一柔性簧带铰链501、第二柔性簧带铰链502、第三柔性簧带铰链503和第四柔性簧带铰链504，其中，上述的四个柔性簧带铰链两两互成一定角度，且位置相对的柔性簧带铰链(如第一柔性簧带铰链501和第二柔性簧带铰链502、第三柔性簧带铰链503和第四柔性簧带铰链504)之间开设有上述的柔性曲线槽6。

另外，上述的柔性曲线槽6靠近柔性簧带铰链一端均形成有圆形曲槽7。

更进一步地，本实施例中柔性曲线槽6分为两部分，分别为靠近圆形曲槽7并与柔性支撑单元301的轴线呈一定角度地倾斜延伸的倾斜柔性曲线段601、以及形成于两个倾斜柔性曲线段601之间并沿水平方向延伸于柔性支撑单元301周向的水平柔性曲线段602。

上述实施例介绍了每条柔性曲线槽6靠近柔性簧带铰链的位置都具有圆形曲槽7，并进一步介绍柔性曲线槽6的组成，其分为两部分，一部分是与柔性支撑单元301的轴线呈倾斜延伸的倾斜柔性曲线段601、另一部分为与柔性支撑单元301的轴线垂直的水平柔性曲线段602。以本实施例的方式设计的柔性支撑单元301配合其上的殷钢套2在于外部机构安装后，能够极大地消除作用于其上的作用力，并通过柔性曲线槽6的形变避免应力传递至外部机构，有效地提高了外部结构的使用寿命。

更优选的，上述的倾斜柔性曲线段601与柔性支撑单元301的轴线所成角度为40°至60°；水平柔性曲线段602与柔性支撑单元301的轴线垂直。

实施例二：

参见图6至图8所示，本发明公开了一种空间光学遥感器用大型圆形反射镜组件，该反射镜组件包括反射镜镜体1、以及形成于反射镜镜体1背面的基板4，反射镜镜体1与基板4之间装配有多个如上所述的柔性支撑结构(参见图2至图5所示)。经过实施例一对柔性支撑结构的介绍，本实施例二以应用了该种柔性支撑结构的空间光学遥感器用大型圆形反射镜为例，作进一步的说明。

优选的，本实施例二中反射镜镜体1的背面沿其周向开设有三个支撑盲孔101，每个支撑盲孔101内均嵌装一个上述的柔性支撑结构；

柔性支撑结构的下端具有与基板4通过紧固螺栓固连法兰安装凸台302；

柔性支撑结构的殷钢套2通过环氧树脂粘粘于支撑盲孔101内，且殷钢套2与柔性支撑单元301通过螺栓紧固、并通过定位销定位。

首先，将实施例一中所公开的柔性支撑结构集成于空间光学遥感器的大型圆形反射镜中，需要在反射镜镜体1的背面开设用以嵌装柔性支撑结构的支撑盲孔101，而本实施例二在反射镜镜体1的背面均布了三个支撑盲孔101，目的是为了能够形成三点式支撑结构；其次，结合了反射镜镜体1的结构，上述的柔性支撑结构还需要具有与反射镜镜体1的基板4固连的连接部位，因此，本实施例又在柔性支撑结构与基板4连接处设计了法兰安装凸台302，该法兰安装凸台302的直径需大于柔性支撑单元301的直径，且本实施例的法兰安装凸台302与基板4通过螺栓紧固，拆装较为方便，且稳定性好。

另外，本实施例中殷钢套2具有与支撑盲孔101粘贴固定的粘接面i、以及形成于殷钢套2顶端的圆柱面；粘接面i为斜度为1:18的圆锥面；

殷钢套2的材料型号为4j36，且殷钢套2的热膨胀系数与反射镜镜体1的热膨胀系数一致。上述的粘接面i与反射镜镜体1的背面的支撑盲孔101通过环氧树脂粘接，粘接时应均匀地涂抹胶水，确保胶水的厚度一致并尽量避免粘接应力的产生，上述的殷钢套2在制造时需要充分时效并做稳定化处理。

优选的，柔性支撑单元301的上端形成为与殷钢套2连接的的连接端，柔性支撑单元301的连接端的轴线处开设有中心孔30101，柔性支撑单元301的连接端上围绕中心孔30101均布有多个螺栓孔30102；

殷钢套2上开设有与柔性支撑单元301的连接端的中心孔30101和螺栓孔30102对应的孔；

中心孔30101用以穿设定位销；

柔性支撑单元301和殷钢套2的紧固螺栓装配于螺栓孔30102处。

由于本实施例二是以将柔性支撑结构集成于空间光学遥感器的反射镜组件内，因此，在安装时需要确保定位准确、以及紧固后稳定性好；为了满足这一要求，本实施例设计了上述的中心孔30101和螺栓孔30102，其中，中心孔30101用以穿设定位销，定位销能够确保殷钢套2、柔性支撑单元301、以及与柔性支撑结构配合使用的外部机构定位准确，确保后期传递过来的应力能够准确地作用于柔性曲线槽6上，最大限度地消除应力。而螺栓孔30102就是用以紧固螺栓的，此处不再详细赘述。

更优选的，上述的柔性支撑单元301的材料为tc4，且柔性支撑单元301的柔性曲线槽6的切割部位的表面粗糙镀优于0.8。

本实施例的柔性曲线槽6制造时采用“线切割、慢走丝”的加工方式，且切割部位表面具有上述的粗糙度要求，另外，柔性支撑单元301整体充分真空时效并做稳定化处理。

结合本实施例二，当实施例一中的柔性支撑结构装配于空间光学遥感器的反射镜组件中时，经过设计和实践，还有部分优选的技术方案：

上述的柔性簧带铰链的厚度一般选取2mm≤t≤4mm，圆形曲槽7的半径为10mm≤r≤15mm，柔性曲线槽6的宽度为2mm≤b≤5mm。

另外，上述所有连接用的螺栓/螺钉均采用gb/t70.1-2000标准，殷钢套2和柔性支撑单元301的紧固螺栓/螺钉为内六角圆柱头螺钉m5x16，而其上的定位销选取φ3x16的定位销，该定位销的材质为30crmnsi。

在装配时，需彻底清洗各个组件零件，保证无灰尘异物，装配时在无尘车间进行，保证装配环境干净清洁。首先，进行反射镜镜体1与殷钢套2的粘接，将殷钢套2与相应反射镜镜体1的支撑盲孔101进行修研标记，用环氧树脂胶均匀涂抹在殷钢套2的粘接面i上并与反射镜镜体1的支撑盲孔101充分接触并粘接固化；再进行柔性支撑单元301和殷钢套2的装配，装配时采用螺钉涂胶固定，同时用销钉定位，之后对装配好的三个柔性支撑结构的法兰安装凸台302底部进行整体修研，保证共面允差值；最后，对基板4和柔性支撑结构进行装配：将基板4通过螺钉涂胶连接到修研好的三个柔性支撑结构的法兰安装凸台302底部，装配好之后进行下一步测试调装试验。

在上述技术方案中，本发明提供的柔性支撑结构及空间光学遥感器用大型圆形反射镜组件具有以下有益效果：

首先，本发明公开了一种柔性支撑结构、以及利用该柔性支撑结构来消除应力的空间光学遥感器用大型圆形反射镜组件，本发明的大型圆形反射镜以三点式轮辐型柔性支撑单元301为主要消除应力的部件，装配上以螺栓、定位销为主要紧固和定位部件，能够确保安装时，柔性支撑单元301、殷钢套2、反射镜镜体1、基板4之间形成精准定位；

另外，本发明的柔性支撑单元301为一种沿圆周均匀分布的轮辐型柔性铰链，且相邻的两个倾斜簧片柔性铰链互成角度，同时，相邻的柔性簧带铰链之间开设有柔性曲线槽6，柔性曲线槽6由绕簧带中心转动的柔度并同时保持较大的离轴刚度。当有外界施加载荷而产生应力时，柔性曲线槽6产生形变，吸收应变能、并阻止应力传递到反射镜镜体1，确保了镜面的面形精度。

最后，本发明的反射镜组件中四处柔性支撑单元301对反射镜镜体1形成了等效于三个球铰链的完全运动学约束而没有引入过约束，实现了对反射镜镜体1的精密安装定位。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。