大型空间反射镜地面重力卸载支撑方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大型空间反射镜地面重力卸载支撑方法，属于空间光学技术领 域。
【背景技术】
[0002] 空间光学遥感器运行在太空的微重力环境中，而其空间反射镜组件的加工、检测 和装配均在地面的重力环境下进行。不同的重力环境使空间反射镜组件的受力情况发生变 化，进而使空间反射镜发生形变，导致反射镜的面形精度下降，空间光学遥感器的成像质量 下降。因此，在空间反射镜组件的设计中需要尽量降低重力对空间反射镜面形精度的影响， 保证空间光学遥感器的成像质量。
[0003] 目前，空间反射镜组件常采用对重力不敏感的刚性结构设计来降低重力的影响。 通过增强反射镜及其支撑结构的刚度，使在地面加工、装配的反射镜组件进入太空失去重 力作用后，几乎不发生形变，面形精度不发生变化。但是，这种设计方法只适用于中、小尺寸 的空间反射镜；对于大型空间反射镜，由于结构尺寸较大，结构刚度的增加会使空间反射镜 组件的结构尺寸和重量大大增加，无法满足空间光学遥感器的重量要求。
[0004] 中国专利公开号为CN102436052A，名称为"一种大口径轻质反射镜光轴水平重力 卸载支撑方法"所公开的反射镜重力卸载支撑方法与本发明的应用领域相同，但其使用条 件存在明显的局限性，该方法只能在反射镜裸镜的加工和检测阶段适用，而且其复杂的滑 轮组吊绳结构无法在后期的反射镜组件加工和装调、镜头装调、环境试验和光学性能测试 等阶段进行反射镜重力卸载。因此，在大型空间反射镜由地面加工、装配时的重力环境进入 到太空工作时的微重力环境的过程中，两种重力环境变化会引起反射镜面形精度下降，使 空间光学遥感器成像质量下降的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决在大型空间反射镜由地面加工、装配时的重力环境进入到太空工 作时的微重力环境的过程中，两种重力环境变化会引起反射镜面形精度下降，使空间光学 遥感器成像质量下降的问题，提出一种可在空间光学遥感器研制的全过程中对空间反射镜 组件进行主动支撑的大型空间反射镜地面重力卸载支撑方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0007] 大型空间反射镜地面重力卸载支撑方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤一，采用有限元分析软件对空间反射镜组件1进行有限元建模，分析空间反 射镜组件1在水平放置时由重力引起的镜面面形精度变化情况；
[0009] 步骤二，根据空间反射镜11尺寸、镜面面形精度变化分析结果及空间反射镜支撑 结构12布局情况，初步确定位于空间反射镜11背部的主动支撑点数量及其分布；
[0010] 步骤三，在有限元分析软件中，在空间反射镜11的主动支撑点上施加支撑力后， 分析空间反射镜组件1在水平放置时重力引起的镜面面形精度变化情况，通过对镜面面形 精度结果的分析，调整主动支撑点上施加支撑力的大小、主动支撑点数量及其分布，通过多 次迭代分析，使空间反射镜组件1的镜面面形精度结果满足光学设计要求，实现反射镜的 重力卸载；
[0011] 步骤四，根据步骤三中主动支撑点上施加支撑力的分析结果来选择相应的直线步 进电机3和弹簧单元4;
[0012] 步骤五，将主动支撑连接板2螺接固定到空间反射镜组件1上，将直线步进电机3 与弹簧单元4固定到一起组成连接体，多个连接体再分别固定到主动支撑连接板2上的多 个接口上；
[0013] 步骤六，按照主动支撑点上施加支撑力的分析结果，驱动直线步进电机3运动相 应的距离，以使弹簧单元4受到压力从而在主动支撑点上施加支撑力。
[0014] 步骤五中所述主动支撑连接板2上的多个接口是根据步骤三中主动支撑点的分 布而对应设计。
[0015] 本发明的工作原理：本发明首先利用有限元方法分析出空间反射镜组件1水平放 置时在重力环境下镜面面形的变化值和变形趋势，其次对空间反射镜背部多个主动支撑点 施加适当的支撑力，以抵消重力引起的镜面面形变化。将主动支撑连接板2、直线步进电机 3、弹簧单元4与空间反射镜组件1连接在一起，驱动直线步进电机3进行直线运动，通过弹 簧单元4将直线运动转化为弹簧的形变，实现弹簧单元4对空间反射镜11背部主动支撑 点的支撑力。在空间反射镜组件1的研制过程中，对各主动支撑点一直施加支撑力以模拟 在微重力环境下空间反射镜组件1的受力情况。空间光学遥感器发射到太空后，重力几乎 为零，此时驱动直线步进电机3,将施加在空间反射镜组件1上的各主动支撑点的支撑力去 掉，使空间反射镜组件1在地面重力环境与太空微重力环境下受力相同，镜面面形保持不 变。
[0016] 本发明的有益效果：由于采用了空间反射镜地面重力卸载支撑方法，解决了大型 空间反射镜组件在地面重力环境完成加工、装配，进入太空微重力环境后，镜面面形精度下 降的问题，使空间反射镜面形精度在地面重力环境和太空微重力环境下保持不变，保证了 空间光学遥感器的成像质量。这种方法在反射镜加工、检测、装配、镜头装调、环境试验和光 学性能测试等研制的全部过程中都可以有效的使用，具有极佳的工程可实施性。本发明可 用于大型空间反射镜的重力卸载以及空间光学遥感器光学装调的重力卸载等领域。
【附图说明】
[0017] 图1是大型空间反射镜地面重力卸载支撑结构简图。
[0018] 图2是大型空间反射镜地面重力卸载支撑结构侧视图。
[0019] 图3是大型空间反射镜地面重力卸载支撑结构背部图。
[0020] 图4是大型空间反射镜地面重力卸载支撑有限元分析图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0022] 如图1和2所示，本发明大型空间反射镜地面重力卸载支撑结构包括：空间反射镜 组件1、主动支撑连接板2、直线步进电机3和弹簧单元4,其中空间反射镜组件1包括空间 反射镜11和空间反射镜支撑结构12。
[0023] 所述的空间反射镜支撑结构12通过环氧树脂胶与空间反射镜11背部粘接在一 起，组成空间反射镜组件1 ;
[0024] 所述的主动支撑连接板2与空间反射镜支撑结构12螺接固定；
[0025] 所述的直线步进电机3与弹簧单元4通过螺钉固定到一起后，再分别固定到主动 支撑连接板2上。
[0026] 实施例：
[0027] 针对一个9 1.4m口径、镜厚比达到1:9、轻量化比优于70%的圆盘形大型空间反 射镜组件1的重力卸载方法，实施步骤如下：
[0028] 步骤1，采用有限元分析软件对空间反射镜组件1进行有限元建模，分析空间反射 镜组件1在水平放置时由重力引起的镜面面形精度变化情况。
[0029] 步骤2,根据分析结果确定采用外圈圆周分布6个主动支撑点，内圈圆周分布3个 主动支撑点的空间反射镜11背部主动支撑布局，如图3所示。
[0030] 步骤3,在有限元软件中，对在空间反射镜11背部的主动支撑点上施加支撑力，经 过多轮迭代运算，确定在外圈6个主动支撑点上施加IlN的支撑力，内圈3个主动支撑点上 施加13N的支撑力，以此进行分析计算，空间反射镜组件1的面形精度变化值小于X/60 (入 =632. 8nm)，满足光学设计要求，如图4所示。
[0031] 步骤4,根据主动支撑点上施加支撑力为IlN和13N的分析结果，选择推力为20N、 推动距离为30mm的直线步进电机3和与之相匹配的弹簧单元4。
[0032] 步骤5,将主动支撑连接板2螺接固定到空间反射镜组件1上，将9个直线步进电 机3与弹簧单元4固定到一起后，再分别固定到主动支撑连接板2上。
[0033] 步骤6,按照主动支撑点上施加支撑力的分析结果，驱动内、外圈直线步进电机3 分别运动18mm和15mm的距离，以使弹簧单元4受到压力而在空间反射镜组件1上的主动 支撑点上施加13N和IlN的支撑力。
[0034] 所述的空间反射镜组件1的主动支撑点数量和分布形式，并不局限于此实施例， 可根据空间反射镜尺寸大小和空间反射镜支撑结构形式进行具体分析确定。
【主权项】
1. 大型空间反射镜地面重力卸载支撑方法，其特征是，包括w下步骤： 步骤一，采用有限元分析软件对空间反射镜组件（1)进行有限元建模，分析空间反射 镜组件1在水平放置时由重力引起的镜面面形精度变化情况； 步骤二，根据空间反射镜（11)尺寸、镜面面形精度变化分析结果及空间反射镜支撑结 构（12)布局情况，初步确定位于空间反射镜（11)背部的主动支撑点数量及其分布； 步骤=，在有限元分析软件中，在空间反射镜（11)的主动支撑点上施加支撑力后，分 析空间反射镜组件（1)在水平放置时重力引起的镜面面形精度变化情况，通过对镜面面形 精度结果的分析，调整主动支撑点上施加支撑力的大小、主动支撑点数量及其分布，通过多 次迭代分析，使空间反射镜组件（1)的镜面面形精度结果满足光学设计要求，实现反射镜 的重力卸载； 步骤四，根据步骤=中主动支撑点上施加支撑力的分析结果来选择相应的直线步进电 机做和弹黃单元（4); 步骤五，将主动支撑连接板（2)螺接固定到空间反射镜组件（1)上，将直线步进电机 (3)与弹黃单元（4)固定到一起组成连接体，多个连接体再分别固定到主动支撑连接板（2) 上的多个接口上； 步骤六，按照主动支撑点上施加支撑力的分析结果，驱动直线步进电机（3)运动相应 的距离，W使弹黃单元（4)受到压力从而在主动支撑点上施加支撑力。
2. 根据权利要求1所述的大型空间反射镜地面重力卸载支撑方法，其特征在于，步骤 五中所述主动支撑连接板（2)上的多个接口是根据步骤=中主动支撑点的分布而对应设 计。
【专利摘要】大型空间反射镜地面重力卸载支撑方法，属于空间光学技术领域，为了解决在大型空间反射镜重力环境变化会引起反射镜面形精度下降的问题，采用有限元分析软件对空间反射镜组件进行有限元建模，分析空间反射镜组件在水平放置时由重力引起的镜面面形精度变化；根据空间反射镜尺寸、镜面面形精度变化分析结果及支撑结构布局情况，初步确定位于空间反射镜背部的主动支撑点数量及其分布；在空间反射镜的主动支撑点上施加支撑力后，分析空间反射镜组件在水平放置时重力引起的镜面面形精度变化情况，通过分析调整主动支撑点上施加支撑力的大小、主动支撑点数量及其分布，使空间反射镜组件的镜面面形精度结果满足光学设计要求，实现反射镜的重力卸载。
【IPC分类】G02B7-198, G02B7-182, G02B7-185
【公开号】CN104678533
【申请号】CN201510076357
【发明人】鲍赫, 李志来, 张学军, 杨利伟, 柴方茂, 杨会生
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月13日