空间大口径望远镜可展开式反射镜单元镜支撑技术

　　大口径空间遥感器在对地观察、太空探测等领域的应用具有重要的科学和军事意义。在大型空间遥感器的光学系统中,传统主反射镜的重量惊人,同时受光学材料的均匀性、弹性变形、温度变形等因素的影响,大口径反射镜要获得较高的面形精度,其加工、装调难度不难想象,这均大大提高了空间遥感器的制造和发射成本。因此,科学工作者一方面努力寻求减轻望远镜特别是主反射镜重量的途径,如超薄玻璃反射镜、铍反射镜、碳化硅反射镜、复合材料反射镜等轻量化技术竟相发展和应用,并取得了快速进步;另一方面也在寻求主反射镜由几片薄单元镜拼接而成的可展开结构设计的方法,如,利用铰链结构控制单元镜的收拢与张开的反射镜展开式结构技术。在火箭发射时,反射镜收拢,到达运行轨道后,镜子张开,形成完整镜面,达到收集面积最大。目前,国外已越来越多地在大型望远镜和航天探测系统中采用展开式结构,其概念设计方案主要有花瓣式、堆积式两种。花瓣式展开方案容易实现,主镜一般分成中央(中央子镜)和外围(旁瓣子镜)两大部分。通常中央子镜为固定不动的反射镜,旁瓣子镜与中央子镜通过铰链相连,实现折叠和展开。堆积式可展开结构是在发射时,主镜的外周子镜折叠起来堆放在中央子镜上,发射升空后,首先抬起折放在中央子镜上的子镜,再通过子镜的旋转和定位使各子镜锁定在预定位置,并实现与中央子镜的连接,直至全部展开。如美国空军研究所出于战场监控,激光武器等军事目的的需要,在其UltraLIFE计划中提出花瓣式展开结构,其主镜是由3面互成120度的离轴的小直径圆形子反射镜组成的可展开结构。再如航空航天局(NASA)研制的2. 55m概念展开镜,其收集面积比非展开镜大四倍;又如路克希德马丁(LockheedMartin)公司正在研究6m超薄展开反射镜[1-5]。在下一代太空望远镜(NGST)的研制过程中TRW Industry又提出了堆栈式可展开结构的概念设计方案。而国内在这方面的研究则刚刚起步,相关的研究报道尚属空白。

　　由于单镜结构是展开式反射镜的基本组成单元,其面形的好坏直接影响整个光学系统像质,因此有必要对单镜进行计算机仿真研究,确保镜面面形可调,调后达到要求。本文运用有限元方法对展开式镜单元镜的多个支撑方案进行分析计算,得到了合理的单元镜支撑点数量及排布方式,并对支承座与促动器进行了初步设计,为单元镜支撑方式的确定提供了理论值。

　　1　展开镜的结构概述

　　目前展开式镜结构比较典型的方案有楔石型、码尺型和六方型三种形式(如图1所示)。

　　本文研究的展开镜是由7块单元镜片拼接而成,属于六方型,其口径为3m,每块单元镜口径为1m,厚10mm,材料为一种复合材料,其拼接形状如图2所示。反射镜展开与收拢由单元镜体的转动实现,三个往里转动(1、3、5),三个向外翻转(2、4、6)。单元镜体通过背部的支撑结构与铰链机构连接,并利用铰链机构完成旋转动作。支撑结构中的促动器通过推动支撑座来调节单元镜面形。