遥感仪器光学系统用非球面反射镜的支撑结构设计

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文章编号： 1672—8785(2013)10．0016—04遥感仪器光学系统用非球面反射镜的支撑结构设计崔水鹏 何 欣(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学二部，吉林长春 130033)摘 要：目前空间遥感仪器的非球面反射镜一般都是用支撑柔性结构加背板的支撑结构支撑的。由于支撑结构的质量占有较大比重，需要简化支撑结构的形式，降低支撑结构的质量。依据三点定位原理和双脚架挠性结构，设计了3个用于简化反射镜支撑结构形式的柔性铰链结构，并采用有限元软件对设计结果进行了分析。结果表明，这种支撑结构形式可以适应空间力热环境并能达到精度要求，实现了对大口径非球面反射镜的支撑。该支撑结构去除了传统结构中的反射镜背板，简化了支撑结构的形式，减小了支撑结构的质量，降低了组件加工和装配工艺的难度。

关键词：反射镜；柔性结构；双脚架结构；三点定位中图分类号：TH745；V19 文献标识码：A DOI：10．3969／j．issn．1672—8785．2013．10．004Design of Support for Aspheric M irror Used inRemote SensorCUI Yong—peng．HE Xin(Department of###ace Optics，Changchun Institute of Optics，Fine Mecha—nics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，ChinaJAbstract： Currently，the aspheric mirrors used in space remote sensors are generally supported witha supporting structure containing a flexible link and a backboard． Because the supporting structureaccounts for a large proportion in weight，its configuration and weight should be simplified and reducedrespectively．According to the principle of three—point orientation and bipod flexure，three flexible linkstructures for simplifying the configuration of the support are designed．The design result is analyzedby using a finite element software．The result shows that this support configuration is able to adapt themechanical and thermal environment in space．It can meet the required precision and can be used tosupport large diameter aspheric mirrors．Because the mirror backboard commonly used in the traditionalconfiguration is removed，this support configuration is simplified．Its weight is reduced and its machiningand assembling difculties are also reduced.

Key words：reflected mirror；flexible link；bipod flexure；three-points orientation收稿日期：2013-09~05作者简介：崔永鹏 (1981一)，男，河北迁安人，硕士研究生，主要从事机械设计和机械制造等方面的研究。

E—mail：cyp1981O512###yahoo．corn．cnINFRARED(MONTHLY)／VOL．34，No．10，OCT 2013 http：／／jou rna1．sitp．aC．cn／hw
? ≯ l¨ 矗 “姆_l00。0¨l 0_≯≯≥≯曩 曩 ：双脚架挠性结构通常用于许多高精度反射镜支撑结构。图 2(a)所示为一种典型的双脚架支撑概念。每个双脚架由 2根互成 60。的支腿组成。支腿只具有轴向刚度，弯曲刚度较弱，可实现类似 V型块的 2个自由度约束。 3个双脚架按圆周均布在反射镜的背面上，以实现反射镜的6自由度约束。图 2(b)中，用一个挠性铰链替代图2(a)中的支腿。在支腿的两端采用柔性结构，使之具有双轴挠性的特征，只具有轴向刚度，以避免外力耦合到反射镜上引起反射镜变形；当温度改变时，具有挠性支腿的双脚架结构的尺寸会随之变化，可减小对反射镜的影响。

2 反射镜 的支撑结构设计2．1 反射镜的支撑结构布局依据三点定位原理中的半运动学定位方式，设计 3个具有相同结构形式的双脚架，使其均匀分布在反射镜的圆周方向上。图3所示为反射镜的支撑结构布局。其中，每个双脚架均可实现箭头方向上的微小位移，其他 5个 自由度约束， 3个双脚架的位移方向的延长线在反射镜的中心点处相交。反射镜组件通过双脚架与遥感器机身连接，中间加入修调垫作为修整环节。

图 3反射镜的支撑结构布局2．2 反射镜结构反射镜采用质轻、强度高的 SiC材料，并实现了高度轻量化。结构为敞开式三角形轻量化INFRARED(MONTHLY)／VOL．34，No．10，OCT 2013孔形式，其轻量化筋的布局方向与支撑点之间的连线方向相同。图4所示为SiC反射镜的结构。

由于采用3个双脚架进行支撑，支撑点数相对较少，所以对反射镜自身的刚度要求较高。通过仿真对反射镜轻量化筋的走向、轻量化筋的厚度和间隔以及镜体厚度等参数进行计算和优化，可以保证反射镜在重力和温度的影响下产生较小变形，从而较好地满足支撑需要。合理的轻量化结构可在保证反射镜刚度的基础上减少反射镜的重量。

2．3 双脚架结构图 4 SiC反射镜双脚架结构由连接板、反射镜背部柔头和反射镜侧面柔头组成，如图5所示。它具有一个平移自由度微量释放功能。其中，每个柔头通过柔性结构进行自由度释放，反射镜背部柔头可限制垂直反射镜背部方向上的位移自由度；反射镜侧面柔头可限制反射镜的侧向位移，并可通过柔性环节释放两个旋转自由度，其他自由度则可以保证具有一定的刚度。

图5双脚架结构 《曩 舞磐 飘鸯 箩 期l柔头的柔性铰链结构是通过释放 自由度避免装配应力和温度应力对反射镜面形产生较大影响的重要环节，也是反射镜满足空间环境需要的重要保障。柔性铰链的基本性能主要包括刚度、精度以及应力特性等方面。刚度太小，不仅会使反射镜受重力影响而产生较大的镜体位移，而且还会使整个反射镜组件的基频变得过低，抵抗振动的能力变弱，即在受到振动时具有较大的响应，受力状态变得恶劣；刚度较大，则会降低反射镜对外部温度环境的适应能力，使其在温度变化时容易产生镜面变形。

柔性铰链的参数主要有宽度、最小厚度、切割圆半径、高度以及圆心角等几何尺寸。这些参数都需要仔细分析并由计算确定。通过计算机的仿真分析，得到了不同参数对反射镜的影响大小，从而确定了结构参数的最优值。计算中，主要考虑了含柔性结构的外界支撑对反射镜镜面刚体位移、镜面转角以及镜面面形的影响，并将其控制在了光学设计所允许的公差范围之内。

此外，由于柔头与反射镜直接胶接，应选择与反射镜材料具有相同或相近线胀系数的材料。本文采用线胀系数为2．5×10 的铟钢材料，这样可以在温度发生变化时避免因反射镜材料与支撑结构的金属材料在线膨胀系数上不一致而产生镜面变形。连接板选用了比刚度大、线膨胀系数较小的钛合金材料。

3反射镜的分析计算工程分析采用 PATRAN建模和 NASTRAN求解。模型构造按以下原则进行：根据实际要求设计出支撑系统的具体结构后，建立了三维实体模型。利用工程分析软件对结构设计进行了验证、修改和优化，并合理分配了主反射镜系统中各个零件的精度。主反射镜系统的网格划分较密，全结构采用四面体单元划分；对于非关键部位，则要本着能量等效原则，准确描述其等效单元体的质量、质心位置以及连接刚度。

3．I 动力学频率特性与响应特性分析按照反射镜组件的实际安装状态约束组件，计算了组件的前三阶模态 (计算结果见表1)。

表 i反射镜组件的模态分析3．2 反射镜的面形误差计算表 2由重力引起的反射镜面形误差表 3 由5℃温升和重力引起的反射镜面形误差组件约束与组件的实际安装状态一致。在双脚架与机身连接的安装孔位处，各节点6自由度全约束。

工况载荷条件如下：_工况 1]在 x、Y、z方向上分别施加 1 g惯性载荷；(下转第 43页 )INFRARED(MONTHLY)／VOL．34，No．10，OCT 2013第34卷≥第l0期 曩曩 曩 - 薯曩 蓦 红 外扰，对复杂溶液中的单一成分很难进行光谱定量分析。本工作构建了 i00种由印度墨水和脂肪乳溶液组成的成分含量不同的混合溶液，通过 MC方法仿真了 650 nm~1000 nm波段的近红外光通过不同浓度溶液的多位置多光程的透射光谱分布。与通常的单一光程中心点光谱采集相比，多位置多光程的透射光谱分布携带了更多关于吸收组分和散射组分的信息。利用偏最小二乘的建模方法，初步进行了复杂溶液的定量分析的仿真研究。比较得出，采取多位置多光程的透射光谱数据进行建模，可比通常的单一光程单点采集数据建模提高建模精度和预测精度。

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(上接第 19页 )_工况 21在 x、Y、 z方向上分别施加 1 g惯性载荷和 5℃温升。

表2和表 3分别列出了反射镜系统的主反射镜在自重及温度载荷作用下的面形变化情况。

从分析数据上来看，反射镜组件的一阶谐振频率并不是非常高，但基本上可以达到使用要求，远高于相机基频；反射镜的面形误差也在允许范围之 内。

4 结束语空间遥感相机的反射镜支撑技术是遥感相机的关键技术之一。在主反射镜的设计阶段，应充分考虑影响主反射镜面形精度的各个因素。

在满足反射镜支撑需求的前提下，应简化支撑结构，降低组件质量。本文基于三点定位原理和双脚架结构设计的反射镜支撑形式，设计 出了简单的支撑结构，降低了支撑结构的质量。在满足支撑主反射镜所需刚度的前提下，通过柔性结构没计解决了由于温度变化及装配应力而引起的反射镜面形精度下降的问题。

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