空间太阳望远镜成像镜调焦机构设计与分析

　　由于空间太阳望远镜所处的空间环境非常恶劣(温度、真空冷焊、微重力等影响),望远镜的成像容易产生干扰.为了满足不同工作波段的成像要求,本文设计了一成像镜调焦机构,移动距离约200mm.公差计算表明,成像镜的位置偏离对系统成像不敏感(倾斜1′,垂轴平移0.2 mm,沿轴平移0.2mm),这为在轨移动调焦提供了可能.另外,主镜直径为1 m,面积大,移动时不方便,所以对于不同的工作波段,要获得清晰的图像,可以通过调节成像镜(物镜)来作调焦补偿,而像面接受器位置保持不动.此外,由结构不稳定、热变形等原因引起的系统离焦也可由成像镜的在轨沿轴平移作补偿.

　　国外相关报道多局限在对大型空间望远镜机械性能的研究上,如文献[1]利用有限元和模糊设计方法对大型空间望远镜的动力学性能进行了模拟,文献[2]讨论了可折叠空间望远镜设计,文献[3]研究了下一代空间望远镜的设计,从材料选取、结构设计、温度控制和光学设计几个方面进行了一般性的综述,此外其他文献[4]也局限于此.对于其调焦机构设计,由于涉及军事机密,国外相关文献报道非常少,且大都局限于比较肤浅的介绍,没有实质性的内容.

　　本文根据调焦机构的基本设计要求,给出了其设计方法,并加工制作了实物模型,最后对机构进行了发射荷载条件下[5]的静力分析.

　　1　调焦方案确定

　　1.1　基本设计要求

　　图1给出了成像镜调焦机构外部和内部尺寸限制图,设计时要求考虑到后筒壁薄的特点.另外还要求内部通光直径大于84 mm,这也就确定了嵌套成像镜内筒的内径最小值.

　　成像镜(OBJ)基准位置确定见图2,图2中调节机构布局仅起到原理性示意的作用,用来确定成像镜的基准位置,具体设计时机构布局可能会发生改变.由图2可以看出,成像镜移动距离为200 mm,图示方向右移140 mm,左移60 mm.由于受整体光路图的制约,成像镜基准位置位于后筒法兰端面前26 mm处.根据调焦范围和成像镜基准位置,结合机构设计的形式可以给出内筒的基本尺寸.

　　1.2　可展调焦机构设计及模型加工制作

　　根据上面调焦机构的设计背景和基本要求,本文提出了一种机构形式,并设计加工了一缩尺比例(4∶5)模型.

　　根据设计的要求,调焦机构中电机驱动丝杠转动,丝杠的转动带动与之相连的直线导轨部分,望远镜中的成像镜则位于直线导轨的内筒中.其中电机采用微型步进电机,丝杠采用滚珠丝杠或滑动丝杠,丝杠的位置位于望远镜筒壁的外面或内部.成像镜可以位于直线导轨内筒的端部,也可以位于其中间.

　　该设计的基本原理是,步进电机驱动滚珠丝杠,丝杠通过连接杆和转向关节带动内筒.内筒的移动轨道为直线轴承,其中电机、丝杠、转换关节和直线轴承皆为标准件.模型基本原理图见图3,透视图见图4.