大口径超轻型反射镜定位和支撑方案研究

　　1　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。