空间超大型反射镜定位和支撑技术研究.doc

2012年5月 空间技术概论课程论文 哈尔滨工业大学空间超大型反射镜定位和支撑技术研究丁天祥哈尔滨工业大学机电学院 0908301班 1090830107摘要：随着我国遥感卫星和空间光学的发展，星载遥感器的分辨率越来越高，光学系统的主反射镜口径越来越大，其结构形式、镜体质量、支撑安装方式和温度环境都将直接影响整个系统的成像质量。本文主要围绕2m 口径的超大型反射镜开展研究, 分析了定位和支撑系统的主要功能, 提出了适合大口径、超轻型反射镜的定位和支撑系统方案, 分析了该方案的基本原理和实现形式，并保证光学系统的像质始终满足设计要求和使用要求。关键词：大口径反射镜；支撑结构；卸载支撑；轻量化；有限元法；空间光学遥感器Study of Positioning and Mounting Scheme of Large Aperture Space ReflectorDing TianxiangHarbin Institute of Technology (HIT)Abstract：The aperture of optical remote sensor is larger and larger for the increasing resolution and the development of geostationary earth observation. Large aperture reflector has become a key factor affecting the performance, weight and cost of the remote sensor. The reflector with 2m diameter is studied and the function of positioning and mounting system is analyzed.The positioning and mounting scheme which fit the large aperture reflector is put forward and the realization of the scheme is given.Key words:Large aperture reflector;supporting structure;Gravity unloading mounting;lightweighting;FEA;Space optical remote sensor1 引言随着需求的提高和光学遥感器技术的发展, 未来20 年, 我国将有多台空间光学遥感器的口径超过2m。对于空间光学系统来说, 反射镜的价格与其直径的平方成正比, 反射镜支撑结构和制造的价格与其直径的三次方成正比 1 。由此可见, 大型光学反射镜在高分辨率空间光学遥感器中的地位十分重要, 其面形精度直接决定了仪器的精度, 其质量在一定程度上决定了整台仪器的质量和造价 2 。因此, 可以说, 直径2m的大口径反射镜已经成为影响遥感器性能、质量和研制成本的关键因素。如何降低反射镜的质量, 保证其在轨的面形精度已经成为遥感器设计者关注的焦点。当反射镜尺寸较小时, 反射镜通常是刚性的, 但是, 随着反射镜尺寸的增大, 以及反射镜面密度越来越小, 反射镜的柔性越来越大, 反射镜的定位和支撑系统将面临更大的挑战。首先, 反射镜刚度的下降会导致反射镜更容易受到重力、发射载荷以及装配应力的影响; 其次, 由于口径的增大, 反射镜因环境温度变化及镜体温度梯度而产生的镜面热变形增大, 因此, 大口径、超轻型反射镜定位和支撑系统面临更大挑战。2 定位和支撑系统的主要功能反射镜在加工、检测以及装调等各个阶段都需要定位和支撑系统, 光轴方向不同时, 反射镜需要的定位和支撑方式不同, 本文研究的反射镜在加工状态、装调状态以及发射状态时光轴都是垂直向上的, 因此, 主要研究反射镜光轴垂直向上时的定位和支撑方式。按照遥感器的工作阶段, 定位和支撑系统的功能可以概括为以下几个方面:( 1) 地面装调、测试阶段反射镜在空间失重环境下工作, 但加工、检测以及装调都在地面重力环境下进行, 因此, 在光学系统的装调和测试阶段, 反射镜的定位和支撑系统除保证反射镜的位置精度外, 还必须能模拟空间失重状态, 从而降低重力环境对主镜面形精度的影响。( 2) 发射阶段在发射阶段, 光学系统要经受加速度、冲击和振动的影响。这一阶段, 定位和支撑系统保证反射镜的安全和位置精度最为重要。( 3) 在轨工作阶段 在轨工作阶段, 反射镜主要受温度环境的影响, 定位和支撑系统在此阶段的主要功能是保证位置精度的同时, 减小温度环境变化对反射镜面形精度的影响。因此, 应当避免定位系统对反射镜的过定位, 避免热环境变化对反射镜产生内应力从而影响反射镜的面形。3 大口径、超轻型反射镜定位和支撑方案为满足反射镜定位和支撑的功能, 大口径、超轻形反射镜适合采用背部多点定位和支撑的方式, 本文主要分析摇板式多点支撑、定位支撑+多点主动支撑和定位支撑+地面卸载支撑3种多点支撑方式。3.1 摇板式多点支撑综合考虑反射镜的定位和支撑在3 个阶段的功能,反射镜的定位和支撑系统既要保证反射镜的位置精度,又要消除重力的影响, 并且还要保证反射镜具有足够的刚度, 能经受恶劣的发射环境。为了消除重力影响, 反射镜的轴向必须采用多点支撑, 但同时又要避免多点对反射镜造成过定位。 摇板式( whiffletree) 多点支撑, 或叫格略伯支撑( Grubb) , 其实物如图1 所示。图1这种支撑是在3 点支撑的基础上发展而来的, 基本原理是在已有的3个固定支撑点上分别安装1 个三角形托架, 托架与基板之间采用球铰链连接( 托架可在球状关节处摇动) 。在每个三角形托架的顶点上设置支撑点, 这样原来的3点支撑变为2层9点支撑。三角形托架之间采用梁连接, 连接处采用回转接头。在实际应用中为了保证多点支撑结构的正常工作, 每个三角形托架必须在保持自身的平衡的同时, 还要防止在自身平面内的旋转。由于浮动支架本身是静定的, 因此, 作用于镜面的支撑力的大小并不彼此独立, 而是服从静力平衡规律, 它们的比例可由浮动支架的杠杆比确定 3 。为了避免多点支撑结构对主镜产生力学变形, 补偿温度变化对主镜造成的变形, 与主镜连接的多个支撑点通常采用柔性支撑结构。 摇板式多点支撑方式的优点在于: 由于作用于反射镜的支撑点数量增加, 从而使反射镜的自重变形得到改善。难点在于: 1) 随着反射镜口径的增大, 为了消除重力影响, 反射镜轴向所需支撑点的数量增大, 浮动支架结构层次的增多, 使得装配工艺的技术难度变大; 2) 由于各支撑点之间的支撑力相互关联, 使得支撑点位置的优化变得更为复杂; 3) 由于空间环境下反射镜不受重力的影响, 多点支撑很容易对反射镜产生内应力。摇板式多点支撑方式始终考虑了重力的影响, 因此, 这种方式特别适用于地面环境下大口径反射镜的支撑。但对于空间应用反射镜而言, 由于空间环境下反射镜不受重力的影响, 多点支撑方式容易对反射镜造成过约束; 另外, 从工艺和装配难度来讲, 该支撑方式结构复杂, 实现难度较大。因此, 该支撑方式不适于空间大口径反射镜的定位和支撑。3.2 定位支撑+多点主动支撑 定位支撑+ 多点主动支撑方式的基本原理是在3 点定位支撑基础上, 在反射镜背部增加主动支撑点。主动支撑点一般为一系列致动器, 反射镜可通过致动器和刚性良好的支撑背板相连。3 点定位支撑主要对反射镜进行定位, 即确定并保证反射镜的位置精度。主动支撑点主要实现以下2 方面的功能: 1) 在地面环境下消除重力的影响, 相当于重力卸载机构; 2) 通过对各个致动器施加作用力( 拉力或压力) , 可以控制反射镜的面形, 可以在空间环境下校正温度等外界环境变化对反射镜面形的影响, 并且可以增加反射镜的刚度, 以适应发射时的恶劣力学环境 4- 5 。定位支撑+ 多点主动支撑的优点在于: 1) 主动支撑点的加入, 一方面可以消除重力的影响, 另一方面又可以在轨进行反射镜面形的调整; 2) 由于反射镜可以在轨进行面形控制, 从而降低了对地面实验的要求。难点在于: 需要复杂的在轨面形检测、数据处理和控制机构, 大大增加了系统的难度和复杂度, 而且还会降低系统的可靠性。3.3 定位支撑+地面卸载支撑 定位支撑+ 地面卸载支撑的基本原理是: 将定位和支撑的功能按照装调、发射和在轨工作3个阶段的实际情况分别考虑, 在3点定位支撑方式的基础上, 在地面装调阶段增加卸载支撑点, 以消除重力影响, 定位支撑限制反射镜的6个自由度, 保证反射镜的位置精度并能经受发射环境的影响, 卸载支撑在地面环境下消除重力对反射镜面形的影响, 不参与空间反射镜的定位和支撑, 具体如下 6: ( 1) 地面装调阶段遥感器在空间失重环境下工作, 但系统的装调是在地面重力环境下进行的, 为了消除重力的影响, 保证系统的装调精度, 因此, 必须在地面模拟空间失重环境。 为了模拟空间失重环境, 反射镜需要在轴向定位支撑的基础上, 增加卸载支撑点, 这些卸载支撑点只用于在地面环境下消除重力的影响, 不参与最后反射镜的支撑。具体卸载点的个数和排布方式需根据反射镜的具体情况进行分析计算获得。反射镜的卸载装置通常采用气压、水压、机械式的杠杆机构或致动器等装置。为了减小空间环境下定位支撑结构对反射镜产生应力从而影响反射镜的面形, 在地面环境下, 反射镜的大部分重力由卸载支撑结构承担, 定位支撑结构只是起定位作用。 ( 2) 发射阶段在发射阶段, 要求系统能经受加速度、冲击和振动的影响, 保证系统在此环境下的安全是最重要的。当轴向定位支撑结构无法满足刚度要求时, 可考虑采用辅助支撑( 过载保护装置) , 入轨后可将过载保护装置去除 7 。 ( 3) 空间工作阶段系统在空间失重环境下工作, 应避免对反射镜的过定位。一般在轴向采用3 点定位支撑方式, 精确限制反射镜的6个自由度, 避免对反射镜的过约束。 定位支撑+ 地面卸载支撑方式的优点在于: 1) 将反射镜的定位和支撑功能按反射镜的工作阶段分别考虑, 简化了定位和支撑系统的设计; 2) 在地面环境下模拟空间失重环境, 降低了反射镜在轨调整和控制的难度; 3) 空间环境下反射镜采用3 点定位支撑方式, 精确限制反射镜的6 个自由度, 避免了温度环境变化对反射镜产生内应力。难点在于: 1) 为了消除重力的影响, 在地面环境下, 需要卸载机构; 2) 由于反射镜在轨不能进行面形的主动控制, 因此, 对反射镜的面形加工精度、反射镜材料的热稳定性等要求较高。3.4 适合空间大口径反射镜的定位和支撑方式 由上述分析可知, 对于2m 口径的反射镜, 为消除重力的影响, 需要增加支撑点个数。经初步计算, 为了保证重力作用下, 反射镜的面形变化优于/ 50rms , 则需要至少36个支撑点。若采用摇板式多点支撑结构方案, 则需要4 层摇板式结构, 势必造成支撑结构加工、装配的困难和质量的增加。多点定位支撑很容易对反射镜产生过约束, 当温度变化时对反射镜产生内应力, 造成反射镜面形变化。另外, 在空间环境下, 反射镜不再受重力的影响, 多点支撑应力的释放也会影响反射镜的面形, 因此, 该支撑方式不适合应用于空间大口径反射镜。 3 点定位+ 多点主动支撑结构是适于空间反射镜的一种支撑方法, 但是该方法需要在空间进行复杂的在轨面形检测、数据处理和控制, 大大增加了系统的复杂度和难度。空间定位支撑+ 地面卸载支撑方式适于大口径、超轻型反射镜的定位和支撑。通过定位支撑保证反射镜的位置精度, 并通过优化设计保证反射镜能经受发射环境的影响; 通过多点卸载支撑消除地面环境下重力的影响, 卸载支撑不参与空间反射镜的定位和支撑。4 国内外研究、发展现状41温度补偿法 前苏联光学和天文学家马克苏托夫提出的温度补偿法，根据各种材料线膨胀系数不同，选择线膨胀系数较大的材料作为补偿块，放在反射镜和镜框之间，用补偿块的大收缩量补偿反射镜收缩量的不足，它是在大温差下使用的反射镜支撑机构的基本方法，被广泛采用。 利用温度补偿原理设计反射镜镜框，这种方法在我国天文、航天领域应用较广。如南京天文仪器中心研制的口径为460mm的磁场望远镜，主镜采用这种结构。光学镜、镜框、补偿块的材料分别为玻璃、铸铁、铝。在调试和观测过程中，在不同的温度下观察反射镜形成的干涉条纹，它们始终是同心圆，表明不存在由于过盈引起的畸变。 航天界在模拟空间环境下使用的中等孔径的反射镜支撑也多采用这种结构。例如在资源卫星多光谱扫描仪辐射定标设备中，太阳定标系统的反射镜的支撑采用图1所示的温度补偿法。反射镜的材料为微晶玻璃，其线膨胀系数很小；选用铝作为镜框，在反射镜和镜框之间加温度补偿块，补偿微晶玻璃的热膨胀量不足；补偿块为聚四氟乙烯，其线膨胀系数大于铝，在这种条件下，当温度变化时，反射镜和镜框将同心收缩，使光学系统的光轴不变、象质不变。42弹簧元件在反射镜支撑系统中的应用除了利用材料线膨胀系数的不同进行温度补偿外，人们还利用弹簧的弹性形变解决反射镜支撑遇到的温度应力问题如图2所示，镜框B有两个固定支撑点b1和b2，第三个支撑点b3装成有弹簧的结构，并且与反射镜的间隙总是为零。在这种装置下，当温度发生变化时，弹簧的弹性形变补偿反射镜的线膨胀量不足，反射镜中心O以及光轴只能在平面b1、b2、b3内移动而不在其他平面内移动，不会产生应力。 这种结构的应用也比较多，如图3所示，NASA在空间模拟环境下使用的红外多光谱扫描仪地面辐射定标设备中的主镜是离轴式抛物镜，口径为635mm，材料是微晶玻璃。主镜的镜框为铝，用铜带吊起支撑自重，靠在镜框上，正面用弹簧夹将光学镜固定在镜框上，弹簧夹补偿反射镜与铝镜框的线膨胀差.43格略伯系统 在反射镜支撑结构的设计中，如何克服自重是一个普遍的问题，它对反射镜的作用不亚于温度变化如图4所示，格略伯系统很好地解决了这个问题，特别是水平放置的反射镜广泛采用此结构。在反射镜的镜室中有三个突起的固定支点c，在其上面放置三个相应的三角形，并能够在突出点C的球状关节头上摇动； C点位于三角形aaa的重心，成为随遇平衡状态；三角形顶点a是支撑的支点当反射镜放置在支撑面上后，在重力的作用下，负载就均匀地分布在9个a点中间，然后它们把重量传递到固定的3个点上不难看出，不论a点开始是否位于同一水平面上，而在放上反射镜之后，它们全部沿反射镜背面均衡起来，不会产生集中应力如果要求精度更高的支撑，还可以在9个a点处放上一个新的小三角形于关节头上，这样就成为“两层”27点的支撑系统再如此做下去，我们可以得到“三层”的支撑系统。但可以看出， “一层”9点的支撑系统最有意义，因为其余的系统太复杂、笨重，而且不能完全保证必要的反射镜稳定性。 我国615mm直径的试验天文望远镜的主镜选用9点杠杆式支撑，底支撑分内外两圈，内圈3点外圈6点，每点承担19的重量，9点支撑的重量最后落于三点上。这种结构的优点是，=支撑机构是浮动装置，可以自由调节，温度变化不会使主镜产生应力变形，但不能做定位用。44用低膨胀系数材料制作支撑结构 选用低膨胀系数材料作为镜框材料是解决小温差变化的有效方法。在金属材料中，因为殷钢的线膨胀系数较低，所以常常用在反射镜的支撑结构中。如西德研制的一台高性能的红外望远镜，口径为500mm的主镜用三点支撑，殷钢结构组件作为镜框。它的一面安装在反射镜背面的三个镗孔里；另一面，通过三个弹簧与反射镜安装基准面联接，弹簧补偿殷钢和铝基准面之间的线膨胀量差，如图5所示。5. 结束语 信息化时代不断地对现代空间光学工程提出了更多更新的要求，轻型、大视场、高分辨率的空间光学遥感仪器已经被列入各国空间光学工作者的重点研究课题。CADCAE技术已成为必不可少的研制手段。利用CADCAE技术进行高精度空问光学遥感器的研制，可有效地提高一次成功率，节约成本，提高功效。 在研究光学遥感器中光学元件的支撑方案时，要同时考虑镜坯材料、结构形式、支撑方案及支撑结构。设计、分析的迭代，应分步实施先以裸镜为分析对象，寻求合理的镜坯结构形式及支撑方案，然后加入具有解耦能力的支撑结构，综合分析镜坯与支撑结构，以镜面面形误差及结构总体刚度为目标函数，考查、修正支撑结构，直到各项指标均达标为止。参考文献：【1】马克苏托夫天文光学工艺【M】科学出版社，1964【2】Eugene K T