空间太阳望远镜主镜支撑结构的优化设计

　　0　引　言

　　空间太阳望远镜(Space Solar Telescope,简称SST)是中国第一个空间天文科学项目。它的总体科学目标是通过协调的、多波段的、高分辨率的和不间断的观测,探测太阳大气中磁流体力学和磁流体力学过程中各种瞬变和稳态现象,实现太阳物理学的重大突破[1]。主光学望远镜(Main Optical Tele-scope,简称MOT)是空间太阳望远镜中五个有效载荷中最重要的一个,主镜是有效口径为1m的抛物面反射镜,对完成空间太阳望远镜的科学目标起着决定性作用。SST的主镜室包括主镜及其支撑系统,是1m主镜的主要承载结构,既要满足高精度的光学要求,又要满足特殊的空间环境要求,具体应满足的要求有[2]:

　　(1)主镜在地面重力载荷及空间热辐射环境的综合影响下,镜面变形必须小于0.015μm (rms.);

　　(2)足够的刚度,结构静变形小,防止卫星入轨后在无重力的空间环境下结构变形的回弹量超出允许值;足够的强度,能承受仪器静力和运载的动力载荷,防止发射环境造成永久变形;以主镜室与主构架的连接面为全约束边界条件计算,横向基频必须大于30Hz ;纵向基频大于50Hz。

　　试验样机已经设计加工完成,并且通过光学装校,满足整个光学系统的要求。在SST主镜和主镜室试验样机的基础上,针对其存在的一些问题,对主镜室提出改进的新想法。

　　(a)消除光路中的挡光问题

　　主镜室试验样机径向支撑在主镜的反射表面,机械结构对光路会产生影响;新方案考虑使用的支撑方式不在主镜反射面上,有效地消除了挡光带来的影响。

　　(b)主镜支撑结构简化

　　试验样机支撑结构复杂,发射状态到在轨状态需要特定装置来完成支撑方式的改变,并且刚度足够;新方案要简化主镜室,希望发射状态到在轨状态使用同样的支撑方式,简化结构,提高可靠性,减轻重量。

　　1　SST主镜支撑结构试验样机的设计

　　该系统设计要兼顾地面调试、发射以及入轨后的正常工作三种状态,试验样机如图1所示。

　　发射状态主要要求克服加速度、冲击、振动的影响,保证在此环境下主镜及其支撑结构满足强度要求。支撑结构设计主要考虑以下几个原则[3]:

　　(a)多点支撑和压紧力共线原则

　　发射状态的加速度特点是纵向大大高于横向,向前大大高于向后,因此主镜的轴向支撑特别是背面的支撑显得特别重要。主镜的扁平形状决定了在发射环境下其变形将以弯曲变形为主。多点支撑可减少主镜的弯曲应力,应尽量增加轴向支撑点数目。轴向支撑点2处于主镜背面,每一支撑点都有一相应的压紧点1作用,两者应处于同一平行于望远镜光轴的直线上(否则会有力矩产生,引起镜面变形)。主镜正面的挡光面积越小越好,因此支撑点及其压紧力点只能安排在镜子边缘。