大孔径光学反射镜球铰支撑设计与分析

　　1 引 言

　　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核心关键元件， 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[1-7]： 1. 支撑结构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的镜面面形变化， 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。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前差增大， 光学系统传递函数降低，最终导致成像质量降低[8-10]。 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、 空间遥感器中采用柔性结构就更加普遍。 柔性结构有多种形式， 如柔性弹簧片、 球铰支撑等。 球铰支撑既能满足光学反射镜的刚性要求， 又能很好地克服使用环境温度变化的影响。

　　2 空间反射镜的几种支撑方式比较

　　空间反射镜根据镜体材料和结构形式的不同会有不同的支撑方式， 常用的支撑方式有以下 4 种：中心支撑、 周边支撑、 侧面支撑、 背部支撑[11-13]。中心支撑适用于口径较小的反射镜， 对于大口径的反射镜只能起到中心定位作用， 单独使用时镜面变形较大， 一般需要和其它支撑形式配合使用。周边支撑是以光学反射镜的底面及某一个长边的侧面为定位基准面的一种支撑方式。 周边支撑结构简单， 镜座外形尺寸大、 质量大、 无装配应力，但因无柔性支撑， 当工作环境温度有变化时， 即使采用材料匹配措施， 仍可能存在热应力。 因此， 周边支撑适用于温度相对稳定的工作环境。

　　侧面支撑是以光学反射镜的两个侧面 (长条形反射镜) 为定位基准的一种支撑方式。 在反射镜对称的两个侧面上加工一定数量和深度的盲孔， 采用胶接方式在盲孔处放置与光学反射镜线膨胀系数相匹配的柔性支撑结构， 借助柔性支撑结构将反射镜和镜座连接在一起。 侧面支撑由于采用柔性支撑结构，可消除因装配和环境温度变化产生的应力， 反射镜　　的质量通过侧面支撑结构卸载到镜座上。

　　背部支撑是以光学反射镜的背部为定位基准的一种支撑方式。 在反射镜背部合适的位置加工一定数量和孔深的盲孔， 采用胶接的方式， 在盲孔中放置与光学反射镜线膨胀系数相匹配的柔性支撑结构，借助柔性支撑结构按一定的组合方式将反射镜和镜座连接在一起。