一种大口径长条形反射镜无应力装配结构

1.本发明涉及空间遥感装备技术领域，尤其涉及一种大口径长条形反射镜无应力装配结构。


背景技术：

2.空间遥感在环境监测、资源调查、大气和海洋观测和天文观测以及军事等方面拥有广阔的应用前景。为了获取更加详细的信息，空间遥感和地面深空探测等光学工程项目都需要不断提高其分辨率，而增大系统的通光口径则是提高相机分辨率最有效的途径之一；碳化硅与传统玻璃等材料相比，在相同刚度下重量更轻和热稳定性更好，有利于反射镜光学面形的保持，因此具有很大优势，目前已经成为空间大型光学工程项目主反射镜的首选材料。随着反射镜口径逐渐增大，特别是离轴大长宽比矩形孔径的反射镜，如何保证其高精度面形支撑精度和热稳定性是一个亟待解决的难题。限制了碳化硅在空间光学系统中的应用；现有技术中，长条形反射镜的长宽比（δ）通常不会超过3:1（平面镜除外），装调时反射镜的短边通常沿着重力方向（x向）。当δ值大于4:1时，支撑之间的夹角β大于60
°
，反射镜沿着短边方向的支撑稳定性变差。特别地，当相机装调时如果要求反射镜长边沿着重力方向（x向），相机安装在卫星上随着火箭发射时，反射镜的加速度响应会特别大，严重的情况下可能导致失稳。
3.基于上述技术问题，本领域的技术人员急需研发一种能够适用于大口径长条形反射镜的无应力装配结构，采用三点支撑方式固定反射镜，适用于大长宽比（超过4:1）的长条形反射镜。特别是要求反射镜长边沿着重力方向（x向）装调的情况下，可提高反射镜的稳定性，保证面形支撑精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种能够适用于大口径长条形反射镜的无应力装配结构，采用三点支撑方式固定反射镜，适用于大长宽比（超过4:1）的长条形反射镜。特别是要求反射镜长边沿着重力方向（x向）装调的情况下，可提高反射镜的稳定性，保证面形支撑精度。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，该装配结构包括：反射镜，其具有镜面，所述镜面的四周形成有反射镜侧壁，所述反射镜侧壁端点处有形成有圆角，所述圆角的大小确定的方式依据预设的光学通光孔径确定；所述反射镜是一个具有离轴孔径的、且弯曲的长条形结构，且所述反射镜的镜面镀有高反射膜；所述反射镜与所述镜面相对的背部上形成有轻量化结构部：所述轻量化结构部形成有锥孔a、锥孔b和锥孔c；
所述轻量化结构部包括：第一加强筋、第一轻量化孔和翻边；所述锥孔a、所述锥孔b和所述锥孔c彼此之间通过所述第一加强筋、所述第一轻量化孔和所述翻边连接；其中，所述第一加强筋、所述第一轻量化孔和所述翻边的位置和尺寸通过有限元分析确定。
6.进一步的，该装配结构还包括锥套a，其具有粘接面，所述粘接面通过环氧胶与锥孔a粘接固定；所述锥套a的上端构造出法兰，所述法兰上有沿着圆周方向均布布置有第二轻量化孔以及第一连接孔，所述法兰的中心有第一通气孔，所述法兰的下端面为连接面；锥套b和锥套c，两者与所述锥套a的外形构造相同、且均为一个下底中空的圆台。
7.进一步的，所述锥套a、所述锥套b和所述锥套c的下方分别对应设置有支撑a、支撑b和支撑c；所述支撑a、支撑b和支撑c是具有柔性板簧的棱柱体；所述支撑a、支撑b和支撑c的外形结构相同。
8.进一步的，所述支撑a包括上端法兰，所述上端法兰中心有第二通气孔；所述第二通气孔周围均布设置有多个第二连接孔；所述上端法兰通过连杆a和y轴板簧b串联连接连杆b；所述连杆b和x轴板簧a串联连接；所述x轴板簧a沿着z轴负向连接v形连杆c；所述v形连杆c沿着z轴负向分成两个支链，其中，x轴正向支链和y轴板簧a串联，连杆d和x轴板簧b连接、且沿着z轴负向依次和连杆e、连杆f串联连接。
9.进一步的，所述支撑a的下端面具有第一下端法兰，x轴负向支链和y轴板簧c串联；所述连杆i和x轴板簧c连接、且沿着z轴负向依次和连杆h、连杆g串联连接；所述支撑a的下端面具有第二下端法兰；所述第二下端法兰上分布有若干第三连接孔。
10.进一步的，所述锥孔a、所述锥孔b、所述锥孔c在所述轻量化结构部上呈三角形布置；所述锥孔c、所述锥孔a和所述锥孔b的位置、角度和相对于所述镜面的深度依据所述反射镜的自身刚度为主的力学指标和光学指标决定。
11.进一步的，所述x轴板簧a、所述x轴板簧b和所述x轴板簧c的转轴沿着x轴方向；其中，所述y轴板簧a、所述y轴板簧b和所述y轴板簧c的转轴沿着y轴方向；所述板簧转轴沿着x轴和y轴的相对位置、分布角度和几何尺寸通过有限元优化分析确定。
12.进一步的，所述支撑b和支撑c的高度相同；所述支撑a和所述支撑b的高度不同；所述支撑a和所述支撑b的高度需要依据反射镜的轻量化形式和质心位置确定；支撑a和支撑b的高度差，即夹角β；所述支撑a、支撑b和支撑c在基板上呈三角形安装关系，该安装关系需要根据所述反射镜的力学指标和光学系统指标确定，即夹角α。
13.进一步的，所述基板是一个下底中空的长方体箱体；所述基板上端面预留与所述支撑a、所述支撑b和所述支撑c对应连接的支撑基面a、支撑基面b和支撑基面c；以及支撑连接孔a、支撑连接孔b、支撑连接孔c。
14.进一步的，所述基板预留有和相机框架连接的框架基面a、框架基面b和框架基面c；以及对应布置的框架连接孔a、框架连接孔b、框架连接孔c；所述基板内部构造成型有具有依据有限元分析结果确定的第二加强筋和第三轻量化孔。
15.在上述技术方案中，本发明提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，具有以下有益效果：本发明的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，采用三点支撑方式固定反射镜，适用于大长宽比（超过4:1）的长条形反射镜。特别是要求反射镜长边沿着重力方向（x向）装调的情况下，可提高反射镜的稳定性，保证面形支撑精度。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术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。
17.图1为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的剖面示意图；图2为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的锥套的装配示意图；图3为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的支撑装配示意图；图4为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的支撑装配示意图（侧视图）；图5为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的反射镜镜面示意图；图6为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的反射镜背部示意图；图7为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的锥套剖面示意图；图8为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的支撑示意图；图9为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的支撑示意图；图10为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的基板上端面示意图；
图11为本发明实施例提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构的基板背部示意图。
18.附图标记说明：1、反射镜；2、锥套a；3、支撑a；4、基板；5、锥套b；6、支撑b；7、支撑c；8、锥套c；1-11、镜面；1-12、侧壁；1-13、圆角；1-14、锥孔c；1-15、锥孔基面c；1-16、锥孔a；1-17、锥孔基面a；1-18、锥孔b；1-19、锥孔基面b；1-20、第一加强筋；1-21、第一轻量化孔；1-22、翻边；2-11、粘接面；2-12、第二轻量化孔；2-13、法兰；2-14、第一连接孔；2-15、第一通气孔；2-16、连接面；3-11、上端法兰；3-12、第二通气孔；3-13、第二连接孔；3-14、连杆a；3-15、连杆b；3-16、x轴板簧a；3-17、v形连杆c；3-18、连杆d；3-19、x轴板簧b；3-20、连杆e；3-21、下端法兰；3-22、连杆f；3-23、y轴板簧a；3-24、y轴板簧b；3-25、连杆g；3-26、y轴板簧c；3-27、下端法兰；3-28、连杆h；3-29、x轴板簧c；3-30、第三连接孔；3-31、连杆i；4-11、支撑基面c；4-12、支撑连接孔c；4-13、支撑基面a；4-14、支撑连接孔a；4-15、框架基面a；4-16、框架连接孔a；4-17、支撑基面b；4-18、支撑连接孔b；4-19、框架基面b；4-20、框架连接孔b；4-21、框架基面c；4-22、框架连接孔c；4-23、第二加强筋；4-24、第三轻量化孔。
具体实施方式
19.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。
20.参见图1~图11所示；本发明的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，该装配结构包括：反射镜1，其具有镜面1-11；镜面1-11的四周形成有反射镜侧壁1-12，反射镜侧壁1-12端点处有形成有圆角1-13；圆角1-13的大小确定的方式依据预设的光学通光孔径确定；反射镜1是一个具有离轴孔径的、且弯曲的长条形结构，反射镜1的镜面1-11镀有高反射膜；反射镜1与镜面1-11相对的背部上形成有轻量化结构部100：轻量化结构部100形成有锥孔a1-16、锥孔b1-18和锥孔c1-14；轻量化结构部100包括：第一加强筋1-20、第一轻量化孔1-21和翻边1-22；锥孔a1-16、锥孔b1-18和锥孔c1-14彼此之间通过第一加强筋1-20、第一轻量化孔1-21和翻边1-22连接；其中，第一加强筋1-20、第一轻量化孔1-21和翻边1-22的位置和尺寸通过有限元分析确定。
21.参见图1～图11所示，还包括有：锥套a2，其具有粘接面2-11；粘接面2-11通过环氧胶与锥孔a1-16粘接固定；锥套a2的上端构造出法兰2-13，法兰2-13上有沿着圆周方向均布布置有第二轻量化孔2-12；以及第一连接孔2-14；法兰2-13的中心有第一通气孔2-15；法兰2-13的下端面为连接面2-16；还包括有：锥套b5和锥套c8，两者与锥套a2的外形构造相同、且均为一个下底中空的圆台。
22.参见图1～图11所示，锥套a2、锥套b5和锥套c8的下方分别对应设置有支撑a3、支
撑b6和支撑c7；支撑a3、支撑b6和支撑c7是具有柔性板簧的棱柱体；支撑a3、支撑b6和支撑c7的外形结构相同。
23.参见图1～图11所示，，支撑a3，包括：上端法兰3-11，上端法兰3-11中心有第二通气孔3-12；第二通气孔3-12周围均布设置有多个第二连接孔3-13；上端法兰3-11通过连杆a3-14和y轴板簧b3-24串联连接连杆b3-15；连杆b3-15和x轴板簧a3-16串联连接；x轴板簧a3-16沿着z轴负向连接v形连杆c3-17；v形连杆c3-17沿着z轴负向分成两个支链；其中，x轴正向支链和y轴板簧a3-23串联；连杆d3-18和x轴板簧b3-19连接、且沿着z轴负向依次和连杆e3-20、连杆f3-22串联连接。
24.参见图1～图11所示，支撑a3的下端面具有第一下端法兰3-21；x轴负向支链和y轴板簧c3-26串联；连杆i3-31和x轴板簧c3-29连接、且沿着z轴负向依次和连杆h3-28、连杆g3-25串联连接；支撑a3的下端面具有第二下端法兰3-27；第二下端法兰3-27上分布有若干第三连接孔3-30。
25.参见图1～图11所示，锥孔a1-16、锥孔b1-18、锥孔c1-14在轻量化结构部100上呈三角形布置；锥孔c1-14、锥孔a1-16和锥孔b1-18的位置、角度和相对于镜面1-11的深度依据反射镜1的自身刚度为主的力学指标和光学指标决定。
26.参见图1～图11所示，x轴板簧a3-16、x轴板簧b3-19和x轴板簧c3-29的转轴沿着x轴方向；其中，y轴板簧a3-23、y轴板簧b3-24和y轴板簧c3-26的转轴沿着y轴方向；板簧转轴沿着x轴和y轴的相对位置、分布角度和几何尺寸通过有限元优化分析确定。
27.参见图1～图11所示，支撑b6和支撑c7的高度相同；支撑a3和支撑b6的高度可能不同；支撑a3和支撑b6的高度需要依据反射镜1的轻量化形式和质心位置确定。支撑a3和支撑b6的高度差，即夹角β；支撑a3、支撑b6和支撑c7在基板4上呈三角形安装关系；该安装关系需要根据反射镜1的力学指标和光学系统指标确定，即夹角α。
28.参见图1～图11所示，基板4是一个下底中空的长方体箱体；基板4上端面预留与支撑a3、支撑b6和支撑c7对应连接的支撑基面a4-13、支撑基面b4-17和支撑基面c4-11以及；支撑连接孔a4-14、支撑连接孔b4-18、支撑连接孔c4-12。
29.参见图1～图11所示，基板4预留有和相机框架连接的框架基面a4-15、框架基面b4-19和框架基面c4-21；以及对应布置的框架连接孔a4-16、框架连接孔b4-20、框架连接孔c4-22；基板4内部构造成型有具有依据有限元分析结果确定的第二加强筋4-23和第三轻量化孔4-24。
30.另外，基板4，其包括支撑基面c4-11，其上面分布若干支撑连接孔c4-12，支撑连接孔c4-12和支撑c7的连接孔7-30连接；支撑基面a4-13，其上面分布若干支撑连接孔a4-14，支撑连接孔a4-14和支撑a3的连接孔3-30连接；支撑基面b4-17，其上面分布若干支撑连接孔b4-18，支撑连接孔b4-18和支撑b6的连接孔6-30连接；框架基面a4-15，其上面分布若干框架连接孔a4-16，框架连接孔a4-16和相机的框
架连接；框架基面b4-19，其上面分布若干框架连接孔b4-20，框架连接孔b4-20和相机的框架连接；框架基面c4-21，其上面分布若干框架连接孔c4-22，框架连接孔b4-20和相机的框架连接；基板4箱体的下端面敞开，箱体内侧分布有第二加强筋4-23和第三轻量化孔4-24。
31.在上述技术方案中，本发明提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，具有以下有益效果：本发明的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，采用三点支撑方式固定反射镜，适用于大长宽比（超过4:1）的长条形反射镜。特别是要求反射镜长边沿着重力方向（x向）装调的情况下，可提高反射镜的稳定性，保证面形支撑精度。可以适用反射镜长边沿着重力方向（x向）装调，但不局限适用于射镜长边沿着重力方向（x向）装调；从附图中，本方案中的支撑a3、支撑b6和支撑c7不是关于某个回转中心对称布置，而是支撑b 6和支撑c7关于y轴对称，且支撑b 6和支撑c7沿着x轴彼此间隔一定的距离，该距离根据反射镜1的长度和中心分布位置确定；此外，根据反射镜1的重心所在z轴的位置，调整支撑a3、支撑b6和支撑c7高度；最后，支撑b6和支撑c7与y轴的夹角相等；经过优化设计后，1g重力作用下的支撑面形均方根值优于12nm，面形峰谷值优于120nm，装配组件的一阶固有频率高于120hz。
32.在上述技术方案中，本发明提供的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，具有以下有益效果：本发明的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，采用三点支撑方式固定反射镜，适用于大长宽比（超过4:1）的长条形反射镜。特别是要求反射镜长边沿着重力方向（x向）装调的情况下，可提高反射镜的稳定性，保证面形支撑精度。
33.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。

技术特征：
25）串联连接；所述支撑a（3）的下端面具有第二下端法兰（3-27）；所述第二下端法兰（3-27）上分布有若干第三连接孔（3-30）。6.根据权利要求3所述的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，其特征在于，所述锥孔a（1-16）、所述锥孔b（1-18）、所述锥孔c（1-14）在所述轻量化结构部（100）上呈三角形布置；所述锥孔c（1-14）、所述锥孔a（1-16）和所述锥孔b（1-18）的位置、角度和相对于所述镜面（1-11）的深度依据所述反射镜（1）的自身刚度为主的力学指标和光学指标决定。7.根据权利要求5所述的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，其特征在于，所述x轴板簧a（3-16）、所述x轴板簧b（3-19）和所述x轴板簧c（3-29）的转轴沿着x轴方向；其中，所述y轴板簧a（3-23）、所述y轴板簧b（3-24）和所述y轴板簧c（3-26）的转轴沿着y轴方向；板簧转轴沿着x轴和y轴的相对位置、分布角度和几何尺寸通过有限元优化分析确定。8.根据权利要求7所述的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，其特征在于，所述支撑b（6）和支撑c（7）的高度相同；所述支撑a（3）和所述支撑b（6）的高度不同；所述支撑a（3）和所述支撑b（6）的高度需要依据反射镜（1）的轻量化形式和质心位置确定；支撑a（3）和支撑b（6）的高度差，即夹角β；所述支撑a（3）、支撑b（6）和支撑c（7）在基板（4）上呈三角形安装关系，该安装关系需要根据所述反射镜（1）的力学指标和光学系统指标确定，即夹角α。9.根据权利要求8所述的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，其特征在于，所述基板（4）是一个下底中空的长方体箱体；所述基板（4）上端面预留与所述支撑a（3）、所述支撑b（6）和所述支撑c（7）对应连接的支撑基面a（4-13）、支撑基面b（4-17）和支撑基面c（4-11）；以及支撑连接孔a（4-14）、支撑连接孔b（4-18）、支撑连接孔c（4-12）。10.根据权利要求8所述的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，其特征在于，所述基板（4）预留有和相机框架连接的框架基面a（4-15）、框架基面b（4-19）和框架基面c（4-21）；以及对应布置的框架连接孔a（4-16）、框架连接孔b（4-20）、框架连接孔c（4-22）；所述基板（4）内部构造成型有具有依据有限元分析结果确定的第二加强筋（4-23）和第三轻量化孔（4-24）。

技术总结
本发明公开了一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，包括长条形反射镜，锥套，支撑和基板。反射镜是一个具有离轴孔径的长条形结构，反射镜的镜面镀有高反射膜；锥套上底边连接支撑结构；支撑结构是一个具有柔性板簧的棱柱体；板簧转轴位置、分布角度和几何尺寸通过有限元优化分析确定；基板是一个下底中空的长方体箱体，基板上端面预留和柔性支撑连接的基面和接口，本发明的一种大口径长条形反射镜无应力装配结构，采用三点支撑方式固定反射镜，适用于大长宽比（超过4:1）的长条形反射镜。可调节镜面相对于基板的安装角度，便于相机整机装调。特别是要求反射镜长边沿着重力方向（X向）装调的情况下，可提高反射镜的稳定性，保证面形支撑精度。面形支撑精度。面形支撑精度。


技术研发人员：徐伟 张德福 李宗轩 李清雅 李淼
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/9/14