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1、2012 年 5 月 空间技术概论课程论文 哈尔滨工业大 学作者：作者：丁天祥，哈尔滨工业大学 0908301 班本科生。空间超大型反射镜定位和支撑技术研究空间超大型反射镜定位和支撑技术研究丁天祥丁天祥哈尔滨工业大学机电学院哈尔滨工业大学机电学院 0908301 班班 1090830107摘要：摘要：随着我国遥感卫星和空间光学的发展，星载遥感器的分辨率越来越高，光学系统的主反射镜口径越 来越大，其结构形式、镜体质量、支撑安装方式和温度环境都将直接影响整个系统的成像质量。本文主要 围绕2m 口径的超大型反射镜开展研究, 分析了定位和支撑系统的主要功能, 提出了适合大口径、超轻型 反射镜的定位和支
2、撑系统方案, 分析了该方案的基本原理和实现形式，并保证光学系统的像质始终满足设 计要求和使用要求。 关键词：关键词：大口径反射镜；支撑结构；卸载支撑；轻量化；有限元法；空间光学遥感器Study of Positioning and Mounting Scheme of Large Aperture Space ReflectorDing TianxiangHarbin Institute of Technology (HIT)Abstract：The aperture of optical remote sensor is larger and larger for the increasin
3、g resolution and the development of geostationary earth observation. Large aperture reflector has become a key factor affecting the performance, weight and cost of the remote sensor. The reflector with 2m diameter is studied and the function of positioning and mounting system is analyzed.The positio
4、ning and mounting scheme which fit the large aperture reflector is put forward and the realization of the scheme is given.KeyKey words:words:Large aperture reflector;supporting structure;Gravity unloading mounting;lightweighting;FEA;Space optical remote sensor1 引言引言 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
5、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
6、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2012 年 5 月 空间技术概论课程论文 哈尔滨工业大 学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 2 定位和支撑系统的主要功能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
7、, 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
8、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 3 大口径、超轻型反射镜定位和支撑大口径、超轻型反射镜定位和支撑 方案方案 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。3.13.1 摇板式多点支撑摇板式多点支撑 综合考虑反射镜的定位和支撑在3 个阶段的功 能,反射镜的定位和支撑系统既要保证反
9、射镜的位 置精度,又要消除重力的影响, 并且还要保证反射镜具有足够的刚度, 能经受恶劣的发射环境。为了 消除重力影响, 反射镜的轴向必须采用多点支撑, 但同时又要避免多点对反射镜造成过定位。 摇板 式( whiffletree) 多点支撑, 或叫格略伯支撑( Grubb) , 其实物如图1 所示。图1 这种支撑是在3 点支撑的基础上发展而来的, 基本 原理是在已有的3个固定支撑点上分别安装1 个三 角形托架, 托架与基板之间采用球铰链连接( 托架 可在球状关节处摇动) 。在每个三角形托架的顶点 上设置支撑点, 这样原来的3点支撑变为2层9点支 撑。三角形托架之间采用梁连接, 连接处采用回转 接
10、头。在实际应用中为了保证多点支撑结构的正常 工作, 每个三角形托架必须在保持自身的平衡的同 时, 还要防止在自身平面内的旋转。由于浮动支架 本身是静定的, 因此, 作用于镜面的支撑力的大小 并不彼此独立, 而是服从静力平衡规律, 它们的比 例可由浮动支架的杠杆比确定 3 。为了避免多点 支撑结构对主镜产生力学变形, 补偿温度变化对主 镜 造成的变形, 与主镜连接的多个支撑点通常采用柔 性支撑结构。摇板式多点支撑方式的优点在于: 由于作用于 反射镜的支撑点数量增加, 从而使反射镜的自重变 形得到改善。难点在于: 1) 随着反射镜口径的增 大, 为了消除重力影响, 反射镜轴向所需支撑点的 数量增大
11、, 浮动支架结构层次的增多, 使得装配工 艺的技术难度变大; 2) 由于各支撑点之间的支撑 力相互关联, 使得支撑点位置的优化变得更为复杂; 3) 由于空间环境下反射镜不受重力的影响, 多点 支撑很容易对反射镜产生内应力。 摇板式多点支撑方式始终考虑了重力的影响, 2012 年 5 月 空间技术概论课程论文 哈尔滨工业大 学因此, 这种方式特别适用于地面环境下大口径反射 镜的支撑。但对于空间应用反射镜而言, 由于空间 环境下反射镜不受重力的影响, 多点支撑方式容易 对反射镜造成过约束; 另外, 从工艺和装配难度来 讲, 该支撑方式结构复杂, 实现难度较大。因此, 该支撑方式不适于空间大口径反射
12、镜的定位和支撑。3.23.2 定位支撑定位支撑+ +多点主动支撑多点主动支撑定位支撑+ 多点主动支撑方式的基本原理是在 3 点定位支撑基础上, 在反射镜背部增加主动支撑 点。主动支撑点一般为一系列致动器, 反射镜可通 过致动器和刚性良好的支撑背板相连。3 点定位支 撑主要对反射镜进行定位, 即确定并保证反射镜的 位置精度。主动支撑点主要实现以下2 方面的功能: 1) 在地面环境下消除重力的影响, 相当于重力卸 载机构; 2) 通过对各个致动器施加作用力( 拉力 或压力) , 可以控制反射镜的面形, 可以在空间环 境下校正温度等外界环境变化对反射镜面形的影响, 并且可以增加反射镜的刚度, 以适应
13、发射时的恶劣 力学环境 4- 5 。 定位支撑+ 多点主动支撑的优点在于: 1) 主 动支撑点的加入, 一方面可以消除重力的影响, 另 一方面又可以在轨进行反射镜面形的调整; 2) 由 于反射镜可以在轨进行面形控制, 从而降低了对地 面实验的要求。难点在于: 需要复杂的在轨面形检 测、数据处理和控制机构, 大大增加了系统的难度 和复杂度, 而且还会降低系统的可靠性。 3.33.3 定位支撑定位支撑+ +地面卸载支撑地面卸载支撑定位支撑+ 地面卸载支撑的基本原理是: 将定 位和支撑的功能按照装调、发射和在轨工作3个阶 段的实际情况分别考虑, 在3点定位支撑方式的基 础上, 在地面装调阶段增加卸载
14、支撑点, 以消除重 力影响, 定位支撑限制反射镜的6个自由度, 保证 反射镜的位置精度并能经受发射环境的影响, 卸载 支撑在地面环境下消除重力对反射镜面形的影响, 不参与空间反射镜的定位和支撑, 具体如下 6:( 1) 地面装调阶段 遥感器在空间失重环境下工作, 但系统的装调是在 地面重力环境下进行的, 为了消除重力的影响, 保 证系统的装调精度, 因此, 必须在地面模拟空间失 重环境。为了模拟空间失重环境, 反射镜需要在轴向定位支撑的基础上, 增加卸载支撑点, 这些卸载支撑 点只用于在地面环境下消除重力的影响, 不参与最 后反射镜的支撑。具体卸载点的个数和排布方式需 根据反射镜的具体情况进行
15、分析计算获得。反射镜 的卸载装置通常采用气压、水压、机械式的杠杆机 构或致动器等装置。为了减小空间环境下定位支撑 结构对反射镜产生应力从而影响反射镜的面形, 在 地面环境下, 反射镜的大部分重力由卸载支撑结构 承担, 定位支撑结构只是起定位作用。( 2) 发射阶段 在发射阶段, 要求系统能经受加速度、冲击和振动 的影响, 保证系统在此环境下的安全是最重要的。 当轴向定位支撑结构无法满足刚度要求时, 可考虑 采用辅助支撑( 过载保护装置) , 入轨后可将过载 保护装置去除 7 。( 3) 空间工作阶段 系统在空间失重环境下工作, 应避免对反射镜的过 定位。一般在轴向采用3 点定位支撑方式, 精确限 制反射镜的6个自由度, 避免对反射镜的过约束。定位支撑+ 地面卸载支撑方式的优点在于: 1) 将反射镜的定位和支撑功能按反射镜的工作阶段分 别考虑, 简化了定位和支撑系统的设计; 2) 在地 面环境下模拟空间失重环境, 降低了反射镜在轨调 整和控制的难度; 3) 空间环境下反射镜采用3 点 定位支撑方式, 精确限制反射镜的6 个自由度, 避 免了温度环境变化对反射镜产生内应力。难点在于: 1) 为了消除重力的影响, 在地面环境下, 需要卸 载机构; 2) 由于反射镜在轨不能进行面形的主动 控制, 因此, 对反射镜的面形加工精度、反射镜材 料的热稳定
