一种小型空间反射镜支撑结构的设计与分析

　　0　引言

　　反射镜是空间相机的关键部件，其在轨状态下的面型精度直接决定了系统的成像质量。反射镜支撑技术是空间相机工程应用的关键技术之一。本文研究的 主反射镜是用于某空间光学遥感器的有效通光孔径为φ200mm的圆形小口径反射镜，要求面形精度小于λ/50(λ=0.6328μm)，环境温度变化 为±5℃。

　　反射镜的支撑是在对反射镜进行有效定位的同时卸载它的自重，并且减小热应力对反射镜的影响，以达到减小镜面变形的目的。在这种力的传递过程中， 应尽量避免较大集中力的产生，使力尽量均匀地传递。同时需要反射镜组件具有良好的动态适应性，能够承受发射阶段产生的冲击和振动，最终实现反射镜的镜面变 形最小，得到最好的成像质量。

　　1　反射镜及其支撑结构设计

　　1.1反射镜材料的选取

　　空间侦察相机对优质轻型光学反射镜的反射镜材料提出的要求包括：(1)热稳定性好，受温度变化热变形小;(2)重力变形小，由于镜体是在空间失 重环境下工作，而镜体加工却是在地面重力环境完成，这就要求镜体材料的重力变形要小;(3)反射镜材料必须能够形成一个高质量的抛光面，能够涂镀反射膜 层;(4)在保持够刚性的同时，反射镜须有较轻的重量，即轻量化率较高。

　　空间反射镜常用的材料性能指标见表1。

　　对比表中各种常用的反射镜材料，SiC具备优秀的比刚度、导热率和热畸变指标，是空间相机理想的反射镜材料。所以本反射镜选取SiC作为光学材料，其优点是材料弹性模量很高，便于机械加工，且线胀系数极小，面形抛光效率高，可广泛地应用于空间光学遥感设备。

　　1.2　反射镜结构设计

　　由于光学遥感器在太空中工作于微重力状态下，所以反射镜会因自身重力环境的改变发生弹性变形。对于圆饼形反射镜，Roberts等人研究了其径厚比dr(D/t)与自重变形的关系，并给出了如下经验公式：

　　式中：δ为最大自重变形;ρ为 材料密 度，单位为kg/cm3;g为重力加速度;a为圆盘半径，a= D/2，单位为m;E为材料弹性模量，单位为GPa;t为圆盘厚度，单位为m。由公式计算可知，为使1m口径反射镜重力变形小于0.16μm(λ /4，λ=0.632　8μm)时的最小径厚比D/t=12.3，最终确定该反射镜尺寸为φ210mm，厚度为20mm。反射镜轻量化后的结构如图1所 示。

　　1.3　支撑定位方式选择

　　反射镜支撑方式按与反射镜镜接触点的位置分为周边支撑、中心支撑和背部支撑等。小尺寸主镜多采用周边支撑，通过压圈将镜片固定在镜框上。中心支 撑方式适合于单拱形反射镜，多采用中心环定位支撑，有时辅以背部小平面支撑。背部支撑通常为背部多点支撑，有3点、6点、9点支撑等，大型反射镜一般采用 多点、多层背部支撑方式。类比反射镜挠性安装的原理，本文采用背部周边挠性支撑方式，定位原理如图2所示。三个只提供径向柔性的结构按等边三角形组合作用 形成对反射镜的支撑，每个单独的柔性结构在轴向是刚性的，这样三个组合在一起限制了反射镜的轴向 (Z向)平移和在镜面平面内的两向转动(绕X、Y轴)，每个单独的柔性结构在切向是刚性的，这样组合在一起限制了反射镜沿X、Y轴的平移和绕镜面法向Z轴 的转动。