空间相机中主镜的轻量化技术及其应用

　　1　引　　言

　　随着科技发展及人们对宇宙空间的不断认识,人们的开发领域从地面转向空间。同时随着信息时代的到来,卫星、飞船和空间站成为空间研究和对地探测 更加有利的平台,所以各国科学工作者都不断地致力于空间开发活动,特别是空间军事侦察活动,因为空间对地照相侦察有其独特的优越性:不受地域限制,可以看 到地球上任何地区,实现全球覆盖;获取情报迅速、及时、直观;可实现连续动态侦察等[1]。

　　在空间光学遥感器中反射式空间相机特别是Cassegrain式相机具有得天独厚的优势:空间相机工作的光谱覆盖范围大,具有较明显的空间应用 优势,它本身能消除色差,并能在广泛的可见光波段内聚集被观测对象发出的辐射能;对气压、温度等不敏感;体积小、重量轻;反射镜可采用轻量化结构;对镜体 光学折射率均匀性没有要求,而对镜体内部的气泡或条纹要求也比折射式透镜的要求低,可以采用非传统材料[2]。

　　本文将着重论述空间相机中主镜的轻量化技术及其应用。

　　2　主镜轻量化技术的一般考虑

　　主镜在空间相机中的地位和作用决定了其大体积、大重量与高精度间矛盾在整台空间相机中显得尤为突出。与主镜面型精度有关的因素较多,主要有主镜的材料均匀性、应力均匀性、机械力学性能和热特性等,它们之间相互关联和制约。主镜轻量化主要从以下几个方面考虑:

　　(1)是否要采用轻量化技术

　　对于空间相机来说,不同的几何尺寸所带来的不仅是相机对载荷的敏感程度的不同,它将同时引入制造技术及至总成本的不同。主镜的口径越大,所需投 入的人力物力越多。一般地,仪器重量大约与主镜口径的2.4次方成正比,而价格大约与口径的2次方成正比[3]。图1是空间相机等望远系统的角分辨力与其 口径尺寸关系的对数曲线图[4]。空间相机的瑞利角分辨力数值与其口径大小成反比,轻量化、自适应光学的望远系统的角分辨值也与口径成反比,对于传统的实 心镜系统的分辨力在口径为500mm时分辨力达到一个极限,大于500mm后,不采用轻量化或自适应措施,其口径的增大,对提高分辨力收益将愈来愈小。当 口径增大到2.4m时,将达到第二个极限值。当口径大于2.4m后,光学系统的分辨力不但不随着口径的增大而提高,反而会下降。当口径不大于500mm 时,既可以采用传统方式,也可以采用轻量化、自适应光学技术。

　　(2)力学特性

　　从动力学角度看,主镜重量的增加,不仅将使主镜组件的动力学特性下降,而且会使空间相机整机的重量增加,导致整机自然频率fn下降,削弱其抵抗 外界振动的能力,相机的其他技术指标也可能受到一定程度的影响[5-6]。所以轻量化主镜在重量减小的同时,不仅能改善自身性能,还可以提高空间相机光机 系统对力学环境的适应性。