光学反射镜柔性锥套连接结构的设计

　　1　引　言

　　光学反射镜是空间光学遥感器的核心部件,其面形精度直接影响光学系统成像质量,尤其是在空间环境下工作时,真空、低温、黑背景以及空间外热流等 复杂的热环境将会引起结构温度变化,从而使光学反射镜镜面面形超差,导致系统光学成像质量劣化[1]。因此,要求相机反射镜具有良好的热尺寸稳定性。对于 反射镜来说,在静力学环境工况下,反射镜的面形精度较容易满足设计指标要求,而在热环境工况下,镜面变形会显著超差,远远大于 λ/10(λ=632nm)。如何能使反射镜在力学环境工况下满足面形设计指标要求的同时,也能在空间热环境工况下达到成像要求的面形精度,这就需要对反 射镜的支撑结构进行调整,增加结构的柔性,在保持反射镜刚度的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性[2,3]。本文提出了一种使反射镜适应热尺寸变化的 柔性锥套结构,以便研究它在满足力学工况下对热环境工况的贡献。

　　2　反射镜组件结构有限元模型

　　图1所示为某空间光学遥感器一长条形反射镜组件结构图,整体采用背部支撑形式安装。其装配关系是:反射镜背部采用三点支撑,且与锥套胶接,锥套 与支撑结构采用螺栓联接,支撑结构与背部支撑板通过螺栓连接,最后与整体框架连接。为了满足成像质量要求,反射镜面形精度应满足PV≤63.2nm,且应 留有适量的安全裕度。因为组件最终要安装在整机上,面形精度还会放大,有可能超过面形精度的指标要求,所以采取适当的措施提高面形精度的安全裕度是非常必 要的,以便提高成像的可靠性。

　　3　柔性连接结构设计分析

　　原有锥套结构形式如图2所示,锥套底部有四个螺钉孔与支撑件相连接,锥套外侧面与反射镜支撑孔胶接。此时经有限元分析计算,在重力环境下反射镜 面形PV=32.8nm,在热工况下反射镜面形PV=43.9nm。当被安装在整机上时,面形精度为86nm,超出了许用值,遥感器将不能准确成像。这就 需要采取适当措施降低反射镜的PV值。将锥套改为柔性结构,如图3所示。沿圆周120°均布三个柔性铰链,提高结构的柔性,但与此同时还要保证锥套件本身 的强度和刚度,保证它在动力学环境下不产生疲劳和破坏。因此,分析单个圆弧铰链参数在外力和弯矩作用下的转角刚度就可对铰链进行合理的设计,铰链转角刚度 计算如图4所示。推导计算过程可参见文献[4]和文献[6],柔性铰链的转角公式为

　　式中:M为微元所受的力矩;E为铰链材料的弹性模量;B为铰链厚度;R为柔性铰链圆弧半径;t为柔性铰链最薄处的厚度。

　　用Romberg数值积分方法对上式进行积分,可得到不同的R和t值下的柔性铰链的转角刚度K=M/θ值,计算结果见表1。