第２８卷第１０期 Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．１０ 文章编号：１００７—１１８０（２０１ ｔ）ｌｏ一００２８—０７ 空间相机大口径主镜支撑结构设计 董吉洪．刘宏伟 （中国科学院 长眷光学精密机械与物理研究所，吉林 长春１３００３３） 摘要：空间相机大口径主镜的支撑技术一直是空间相机研制的关键技术 本文介绍了一种相机大口径主镜 球铰支撑结构在研制过程中出现的镜面面形随着外界装配条件及温度的变化出现像散的问题，并通过对球铰 支撑结构的分析与研究，找出球铰支撑结构的弱点，提出一种新型的柔性支撑结构，通过工程分析及优化确 定了柔性支撑结构。利用各种环境试验，证明该支撑结构一阶模态可以达到近２００ Ｈｚ，具有较高的动态刚 度；同时，该支撑结构对装配应力与热应力具有较大的适应能力，既能够在较大温度范围内保证镜面面形不 变化，又能够保证主镜面形在重力载荷变化时达到指标ＲＭＳ值为０．０２Ａ（Ａ＝６３２．８ ｎｍ）的要求，为空间相机 大口径主镜支撑技术打下了坚实的基础 关键词：大口径；主镜；球铰；柔性支撑；热应力 中图分类号：ＴＨ７０３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３７８８／０ＭＥＩ２０１ １２８ １０．００２８ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌａｒｇｅ—ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｐ ｒｉｍａｒｙ Ｍｉｒｒｏｒ ｆｏｒ Ｓｐａｃｅ Ｃａｍｅｒａ ＤＯＮＧ Ｊｉ—ｈｏｎｇ，ＬＩＵ Ｈｏｎｇ—ｗｅｉ （Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＯｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｆＳｃｉｏｅｎｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ—ａｐｅｒｔｕｒｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｍｉ￣ｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｃａｍｅｒａ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆ０ｒ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｃａｍｅｒａ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｌｌ—ｈｉｎｇｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｍｉｎｏｒ ｗｉｌｌ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｖａｒｉｅｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｌｌ— ｈｉｎｇｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ，ａ ｎｏｖｅｌ ｆｌｅｘｕｒｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｓｏｍｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｈａｄ ｌａｒｇｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ａｎｄ ｗａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｉｓ ｆｌｅｘｕｒｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．６０５０７００３） ２８｜ｗｗｗ ．ｏｍ ．ｅｉｎ ｆｏ。．ｃｏｍ ．．０期 第２８卷 第１Ｖ０１．２８ Ｎｏ．１Ｏ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｍｉｒｒｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｇｕｒｅ ｓｔａｂｌｅ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ＲＭＳ ｖａｌｕｅ ｏｆ ０．０２ａ（Ａ＝６３２．８ ｆｉｎ） ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｌｏａｄ ｖａ￣ｅ￥，ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｓａｔｉｓｉｆｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ。 ａｐｅｒｔｕｒｅ；ｐｒｉｍａｒｙ ｍｉｒｒｏｒ；ｂａｌｌ－ ｈｉｎｇｅ；ｆｌｅｘｕｒｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ １ 引 言 构进行了分析和研究，总结了其支撑结构的弱点． 并将球铰支撑改为柔性支撑。经过分析，柔性支撑 人类生存的地球正面临着环境、资源、能源及 其他全球和地区性的问题，要解决这些问题，要求 把地球作为一个系统来认识，理论与实践证明空间 可以满足面形精度的要求．并且通过试验证实了柔 性支撑能够保证相机在较宽的温度范围和力学环境 下的镜面面形，很好地解决了大口径反射镜的支撑 问题 遥感是最有效的认识工具。在现代高技术条件下， 空间相机在战略侦察、导弹预警和商业探察方面扮 演着日益重要的角色。优质轻型的大口径光学反射 镜是空间相机的核心和关键元件，而可靠稳定的反 射镜支撑结构是保证空间相机成像质量的关键，反 射镜的支撑结构应具备如下特性 －３］： （１）支撑结构 ２球铰支撑结构的原理及分析 文中设计并制造的６８０ ｍｍ轻量化ＳｉＣ主镜 ， 采用了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化结构。 其内部轻量化孔的形式如图１所示．图２为主镜的 实物照片。 能够克服反射镜因自重而引起的镜面变形； （２）支 撑结构能够保证一定温度范围内镜面面形的变化满 足要求； （３）支撑结构能够适应一定的装配应力， 保证装配过程不影响镜面面形。由于反射镜组件在 使用环境的温度变化以及不可克服重力场等因素作 用下，都会引起参与成像的反射镜发生变形，从而 造成光学系统的波像差增大。光学系统传递函数降 低，最终导致成像质量降低。相机主镜支撑结构必 须确保在发射和运载过程中不会破坏，且保证主镜 在静力学环境、热环境下仍具有较高的成像质量（对 于成像光学系统，要求反射镜面型精度ＰＶ≤６２ ｎｍ， ＲＭＳ≤１２ ｔｉｍ）。合理的支撑方式会较大程度地减小 环境因素对光学仪器的影响，而在支撑方式中设置 一图１主镜轻量化孔形式 图２主镜实物照片 这种轻量化形式的提出有效地解决了单独轻量 化方式存在的不足，综合了三角形轻量化孑Ｌ刚度高、 扇形轻量化孔质量小的优点，使单镜在质量较小的 状态下达到了较高的刚度，为大口径反射镜的支撑 打下了有利的基础。 定程度的柔性环节是行之有效的方法．特别是在 空间环境下的空间望远镜、空问遥感器中采用柔性 该大口径主镜最初采用三点球形铰链的支撑方 案［５－６］。通过三点球形铰链一定程度的自由度释放，用 来解决反射镜热适应性和装配工艺问题；而通过一 定程度的预紧方式．使球铰连接间保持一定程度的 结构就更加普遍。柔性结构有多种形式，如球铰支 撑、柔性支撑等等。 本文在介绍一种相机主镜球铰支撑结构在研制 过程中出现的镜面面形不稳定现象的同时，对其结 紧密性 用来提高主镜组件的动态刚度，使主镜组 件可以承受发射状态下的力学环境。三点支撑最终 ＷＷＷ．ｏｍｅｉｎｆｏ．￣０１１１ ｏｃｔ．２０１１ ２９ ３＿２柔性支撑的分析及试验验证 柔性支撑的分析主要侧重于模态分析嗣与镜面面 形变化分析。 主镜组件必须具有合理的模态分布，才可以保 证主镜组件的结构能适应严酷的运载力学环境，其 中构件不产生微屈服。同时，模态分析又是考察动 态刚度的重要指标，如果组件的一阶固有模态与相 机载体一阶固有模态重叠或相近就可能引起共振， 必须对结构进行改进设计，提高组件的一阶模态。 主镜组件固有频率分析的有限元模型如图１０所 示．主镜组件安装在圆盘试验夹具上．试验［９－１ｏ］照片 如图１ｌ所示，分析预示工作基频与试验结果见表１， 计算与试验最大偏差９．２％。从分析与试验的结果可 图１０主镜组件模态试验有限元模型 图ｌ１ 主主镜组件模态试验现场照片 表１ 主镜组件固有频率分析结果与试验结果对比 第２８卷 第１Ｏ期 Ｖ０１．２８ Ｎｏ．１Ｏ 以看出，柔性支撑结构能够保证主镜组件的动态刚 度．满足一阶模态＞７０ Ｈｚ的建造规范要求。 为了能够更加真实地反映主镜面形在整机状态 下的变化情况．主镜组件的面形分析是在整机状态 下进行的。工程分析主要考察重力环境、１５℃热环 境下（整机采用主动和被动热控方案）反射镜的工 作情况，用来模拟空间在轨状态下相机的工作情况。 表２表示了主镜组件在重力载荷作用下主镜镜面变 形和主镜的位置变化，表３给出了主镜组件在ｌ５ ｃＩｃ均 匀温升作用下主镜镜面变形和位置变化。 表２主镜组件在重力载荷作用下镜面变形和位置变化 表３主镜组件在１５℃均匀温升作用下镜面变形和位置变化 通过分析可以看出，柔性支撑结构可以满足重 力载荷及温度变化对面形精度的影响，说明柔性支 撑结构满足设计要求。同时，对柔性支撑结构的实 际性能进行了试验验证，对于重力载荷作用下镜面 面形的变化也进行了试验验证．验证方式为对主镜 组件分别在０。和１８０。进行面形测试。如果两个方向 主镜组件的面形精度都能够满足ＲＭＳ值为０．０２Ａ的 要求，则说明该支撑结构能够克服重力载荷的影响。 图１２表示主镜在０。位置时的镜面面形情况， 图１３为主镜在１８０。时的镜面面形情况。其面形变化 如表４所示。通过两个角度的主镜面形对比可见，主 镜支撑结构能够保证主镜面形在重力载荷发生变化 时均满足设计ＲＭＳ值为０．０２Ａ的要求。 为了验证柔性支撑结构对温度变化的适应能力， 在主镜面形ＲＭＳ优于０．０５Ａ时进行了主镜组件温度 适应能力测试。其方法为通过调整主镜组件所处的 环境温度，分别测试主镜组件在不同的温度情况下 的面形值，以此说明支撑结构的热适应能力。但由 于室内温度调整困难．同时温度的剧烈变化必然引 起气流扰动，对测试结果将产生影响，因此，只是测 第２８卷第１０期 Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．１０ ＋０．０７８ ９５ —０．２７８ ５２ Ｉ ： ！ ｌ 匝 二二 二 ］ 图１２ ０。主镜面形 ＋０．０１０ ３ －０．２１５ ５ 匦［二二亟 二 图１３ １８０。主镜面形 表４主镜组件在重力载荷作用下的面形情况 试了１９℃与２４．５℃两个温度点的主镜面形。 对于温度变化引起的测量值离散，可以采用多 次测量取平均值的方式。图１４表示２４．５℃时主镜 面形情况，图ｌ５表示１９℃时主镜面形情况。通过 对两个温度点的面形情况对比可以看出，主镜组件 图１４ ２４．５℃面形图 图１５ １９℃面形图 在温度变化５．５℃时面形没有发生变化，同时根据 分析可以推论该支撑结构能够保证主镜面形在１５℃ 温度变化范围内满足设计面形要求。 ４ 结 论 本文通过对空问相机大口径主镜球铰支撑结构 的研究与分析，提出一种新型的柔性支撑结构，并 且通过工程分析进行了优化设计。确定了柔性支撑 结构，同时对采用该柔性支撑结构的ＳｉＣ主镜组件 进行了各种性能指标测试。通过试验证明新型的柔 ｗｗｗ．ｏｍｅｉｎｆｏ．ｃｏｍ｜ｎＯｃｔ．２Ｏ１ｌ Ｐｔ ，０１１・——３３ Ｌ— 第２８卷 第１０期 Ｖｏ１＿２８ Ｎｏ．１０ 性支撑结构不但能够满足主镜组件的力学特性要求， 同时保证了主镜在重力载荷及温度变化情况下都能 够满足面形精度要求。 参考文献 【１】姜景山．空间科学与应用【Ｍ］．北京：科学出版社，２００１． ［２］赵立新．空间太阳望远镜的热设计和热光学分析【Ｊ］．航天返回与遥感，２００２，２３（１）：１１—１８． ［３］吴清彬，陈时锦，董申．光学相机轻质反射镜的结构一热优化设计『Ｊ］．光学技术，２００３，２９（５）：５６２—５６７． ［４］高明辉，刘磊，任建岳．空间相机反射镜碳化硅材料性能测试［ＪＪ．光学精密工程，２００７，１５（８）：１１７０—１１７４ ［５】张志杰，袁怡宝．单边导角形柔性铰链的计算与性能分析【ＪＪ．光学精密工程，２００７，１５（３）：３８４—３８９． 【６】薛实福，李庆祥．精密仪器设计［Ｍ】．北京：清华大学出版社，１９９１． 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