大口徑超輕型反射鏡定位和支撐方案研究

陳曉麗 王 彬 楊秉新

(北京空間機(jī)電研究所,北京100076)

1 引言

隨著需求的提高和光學(xué)遙感器技術(shù)的發(fā)展,未來20年,我國(guó)將有多臺(tái)空間光學(xué)遙感器的口徑超過2m。對(duì)于空間光學(xué)系統(tǒng)來說,反射鏡的價(jià)格與其直徑的平方成正比,反射鏡支撐結(jié)構(gòu)和制造的價(jià)格與其直徑的三次方成正比[1]。由此可見,大型光學(xué)反射鏡在高分辨率空間光學(xué)遙感器中的地位十分重要,其面形精度直接決定了儀器的精度,其質(zhì)量在一定程度上決定了整臺(tái)儀器的質(zhì)量和造價(jià)[2]。因此,可以說,直徑2m的大口徑反射鏡已經(jīng)成為影響遙感器性能、質(zhì)量和研制成本的關(guān)鍵因素。如何降低反射鏡的質(zhì)量,保證其在軌的面形精度已經(jīng)成為遙感器設(shè)計(jì)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

當(dāng)反射鏡尺寸較小時(shí),反射鏡通常是剛性的,但是,隨著反射鏡尺寸的增大,以及反射鏡面密度越來越小,反射鏡的柔性越來越大,反射鏡的定位和支撐系統(tǒng)將面臨更大的挑戰(zhàn)。首先,反射鏡剛度的下降會(huì)導(dǎo)致反射鏡更容易受到重力、發(fā)射載荷以及裝配應(yīng)力的影響;其次,由于口徑的增大,反射鏡因環(huán)境溫度變化及鏡體溫度梯度而產(chǎn)生的鏡面熱變形增大,因此,大口徑、超輕型反射鏡定位和支撐系統(tǒng)面臨更大挑戰(zhàn)。

2 定位和支撐系統(tǒng)的主要功能

反射鏡在加工、檢測(cè)以及裝調(diào)等各個(gè)階段都需要定位和支撐系統(tǒng),光軸方向不同時(shí),反射鏡需要的定位和支撐方式不同,本文研究的反射鏡在加工狀態(tài)、裝調(diào)狀態(tài)以及發(fā)射狀態(tài)時(shí)光軸都是垂直向上的,因此,主要研究反射鏡光軸垂直向上時(shí)的定位和支撐方式。按照遙感器的工作階段,定位和支撐系統(tǒng)的功能可以概括為以下幾個(gè)方面:

(1)地面裝調(diào)、測(cè)試階段

反射鏡在空間失重環(huán)境下工作,但加工、檢測(cè)以及裝調(diào)都在地面重力環(huán)境下進(jìn)行,因此,在光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)和測(cè)試階段,反射鏡的定位和支撐系統(tǒng)除保證反射鏡的位置精度外,還必須能模擬空間失重狀態(tài),從而降低重力環(huán)境對(duì)主鏡面形精度的影響。

(2)發(fā)射階段

在發(fā)射階段,光學(xué)系統(tǒng)要經(jīng)受加速度、沖擊和振動(dòng)的影響。這一階段,定位和支撐系統(tǒng)保證反射鏡的安全和位置精度最為重要。

(3)在軌工作階段

在軌工作階段,反射鏡主要受溫度環(huán)境的影響,定位和支撐系統(tǒng)在此階段的主要功能是保證位置精度的同時(shí),減小溫度環(huán)境變化對(duì)反射鏡面形精度的影響。因此,應(yīng)當(dāng)避免定位系統(tǒng)對(duì)反射鏡的過定位,避免熱環(huán)境變化對(duì)反射鏡產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力從而影響反射鏡的面形。

3 大口徑、超輕型反射鏡定位和支撐方案

為滿足反射鏡定位和支撐的功能,大口徑、超輕形反射鏡適合采用背部多點(diǎn)定位和支撐的方式,本文主要分析搖板式多點(diǎn)支撐、定位支撐+多點(diǎn)主動(dòng)支撐和定位支撐+地面卸載支撐3種多點(diǎn)支撐方式。

3.1 搖板式多點(diǎn)支撐

圖1 搖板式多點(diǎn)支撐

綜合考慮反射鏡的定位和支撐在3個(gè)階段的功能,反射鏡的定位和支撐系統(tǒng)既要保證反射鏡的位置精度,又要消除重力的影響,并且還要保證反射鏡具有足夠的剛度,能經(jīng)受惡劣的發(fā)射環(huán)境。為了消除重力影響,反射鏡的軸向必須采用多點(diǎn)支撐,但同時(shí)又要避免多點(diǎn)對(duì)反射鏡造成過定位?！皳u板式”(whiffletree)多點(diǎn)支撐,或叫格略伯支撐(Grubb),其實(shí)物如圖1所示。這種支撐是在3點(diǎn)支撐的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,基本原理是在已有的3個(gè)固定支撐點(diǎn)上分別安裝1個(gè)三角形托架,托架與基板之間采用球鉸鏈連接(托架可在球狀關(guān)節(jié)處搖動(dòng))。在每個(gè)三角形托架的頂點(diǎn)上設(shè)置支撐點(diǎn),這樣原來的3點(diǎn)支撐變?yōu)?層9點(diǎn)支撐。三角形托架之間采用梁連接,連接處采用回轉(zhuǎn)接頭。在實(shí)際應(yīng)用中為了保證多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)的正常工作,每個(gè)三角形托架必須在保持自身的平衡的同時(shí),還要防止在自身平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。由于浮動(dòng)支架本身是靜定的,因此,作用于鏡面的支撐力的大小并不彼此獨(dú)立,而是服從靜力平衡規(guī)律,它們的比例可由浮動(dòng)支架的杠桿比確定[3]。為了避免多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)對(duì)主鏡產(chǎn)生力學(xué)變形,補(bǔ)償溫度變化對(duì)主鏡造成的變形,與主鏡連接的多個(gè)支撐點(diǎn)通常采用柔性支撐結(jié)構(gòu)。

搖板式多點(diǎn)支撐方式的優(yōu)點(diǎn)在于:由于作用于反射鏡的支撐點(diǎn)數(shù)量增加,從而使反射鏡的自重變形得到改善。難點(diǎn)在于:1)隨著反射鏡口徑的增大,為了消除重力影響,反射鏡軸向所需支撐點(diǎn)的數(shù)量增大,浮動(dòng)支架結(jié)構(gòu)層次的增多,使得裝配工藝的技術(shù)難度變大;2)由于各支撐點(diǎn)之間的支撐力相互關(guān)聯(lián),使得支撐點(diǎn)位置的優(yōu)化變得更為復(fù)雜;3)由于空間環(huán)境下反射鏡不受重力的影響,多點(diǎn)支撐很容易對(duì)反射鏡產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

搖板式多點(diǎn)支撐方式始終考慮了重力的影響,因此,這種方式特別適用于地面環(huán)境下大口徑反射鏡的支撐。但對(duì)于空間應(yīng)用反射鏡而言,由于空間環(huán)境下反射鏡不受重力的影響,多點(diǎn)支撐方式容易對(duì)反射鏡造成過約束;另外,從工藝和裝配難度來講,該支撐方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)難度較大。因此,該支撐方式不適于空間大口徑反射鏡的定位和支撐。

3.2 定位支撐+多點(diǎn)主動(dòng)支撐

定位支撐+多點(diǎn)主動(dòng)支撐方式的基本原理是在3點(diǎn)定位支撐基礎(chǔ)上,在反射鏡背部增加主動(dòng)支撐點(diǎn)。主動(dòng)支撐點(diǎn)一般為一系列致動(dòng)器,反射鏡可通過致動(dòng)器和剛性良好的支撐背板相連。3點(diǎn)定位支撐主要對(duì)反射鏡進(jìn)行定位,即確定并保證反射鏡的位置精度。主動(dòng)支撐點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)以下2方面的功能:1)在地面環(huán)境下消除重力的影響,相當(dāng)于重力卸載機(jī)構(gòu);2)通過對(duì)各個(gè)致動(dòng)器施加作用力(拉力或壓力),可以控制反射鏡的面形,可以在空間環(huán)境下校正溫度等外界環(huán)境變化對(duì)反射鏡面形的影響,并且可以增加反射鏡的剛度,以適應(yīng)發(fā)射時(shí)的惡劣力學(xué)環(huán)境[4-5]。

定位支撐+多點(diǎn)主動(dòng)支撐的優(yōu)點(diǎn)在于:1)主動(dòng)支撐點(diǎn)的加入,一方面可以消除重力的影響,另一方面又可以在軌進(jìn)行反射鏡面形的調(diào)整;2)由于反射鏡可以在軌進(jìn)行面形控制,從而降低了對(duì)地面實(shí)驗(yàn)的要求。難點(diǎn)在于:需要復(fù)雜的在軌面形檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理和控制機(jī)構(gòu),大大增加了系統(tǒng)的難度和復(fù)雜度,而且還會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。

3.3 定位支撐+地面卸載支撐

定位支撐+地面卸載支撐的基本原理是:將定位和支撐的功能按照裝調(diào)、發(fā)射和在軌工作3個(gè)階段的實(shí)際情況分別考慮,在3點(diǎn)定位支撐方式的基礎(chǔ)上,在地面裝調(diào)階段增加卸載支撐點(diǎn),以消除重力影響,定位支撐限制反射鏡的6個(gè)自由度,保證反射鏡的位置精度并能經(jīng)受發(fā)射環(huán)境的影響,卸載支撐在地面環(huán)境下消除重力對(duì)反射鏡面形的影響,不參與空間反射鏡的定位和支撐,具體如下[6]:

(1)地面裝調(diào)階段

遙感器在空間失重環(huán)境下工作,但系統(tǒng)的裝調(diào)是在地面重力環(huán)境下進(jìn)行的,為了消除重力的影響,保證系統(tǒng)的裝調(diào)精度,因此,必須在地面模擬空間失重環(huán)境。

為了模擬空間失重環(huán)境,反射鏡需要在軸向定位支撐的基礎(chǔ)上,增加卸載支撐點(diǎn),這些卸載支撐點(diǎn)只用于在地面環(huán)境下消除重力的影響,不參與最后反射鏡的支撐。具體卸載點(diǎn)的個(gè)數(shù)和排布方式需根據(jù)反射鏡的具體情況進(jìn)行分析計(jì)算獲得。反射鏡的卸載裝置通常采用氣壓、水壓、機(jī)械式的杠桿機(jī)構(gòu)或致動(dòng)器等裝置。為了減小空間環(huán)境下定位支撐結(jié)構(gòu)對(duì)反射鏡產(chǎn)生應(yīng)力從而影響反射鏡的面形,在地面環(huán)境下,反射鏡的大部分重力由卸載支撐結(jié)構(gòu)承擔(dān),定位支撐結(jié)構(gòu)只是起定位作用。

(2)發(fā)射階段

在發(fā)射階段,要求系統(tǒng)能經(jīng)受加速度、沖擊和振動(dòng)的影響,保證系統(tǒng)在此環(huán)境下的安全是最重要的。當(dāng)軸向定位支撐結(jié)構(gòu)無法滿足剛度要求時(shí),可考慮采用輔助支撐(過載保護(hù)裝置),入軌后可將過載保護(hù)裝置去除[7]。

(3)空間工作階段

系統(tǒng)在空間失重環(huán)境下工作,應(yīng)避免對(duì)反射鏡的過定位。一般在軸向采用3點(diǎn)定位支撐方式,精確限制反射鏡的6個(gè)自由度,避免對(duì)反射鏡的過約束。

定位支撐+地面卸載支撐方式的優(yōu)點(diǎn)在于:1)將反射鏡的定位和支撐功能按反射鏡的工作階段分別考慮,簡(jiǎn)化了定位和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì);2)在地面環(huán)境下模擬空間失重環(huán)境,降低了反射鏡在軌調(diào)整和控制的難度;3)空間環(huán)境下反射鏡采用3點(diǎn)定位支撐方式,精確限制反射鏡的6個(gè)自由度,避免了溫度環(huán)境變化對(duì)反射鏡產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。難點(diǎn)在于:1)為了消除重力的影響,在地面環(huán)境下,需要卸載機(jī)構(gòu);2)由于反射鏡在軌不能進(jìn)行面形的主動(dòng)控制,因此,對(duì)反射鏡的面形加工精度、反射鏡材料的熱穩(wěn)定性等要求較高。

3.4 適合大口徑、超輕型反射鏡的定位和支撐方式

由上述分析可知,對(duì)于2m口徑的反射鏡,為消除重力的影響,需要增加支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)。經(jīng)初步計(jì)算,為了保證重力作用下,反射鏡的面形變化優(yōu)于 λ/50rms(λ=0.6328μ m),則需要至少36個(gè)支撐點(diǎn)。若采用搖板式多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)方案,則需要4層搖板式結(jié)構(gòu),勢(shì)必造成支撐結(jié)構(gòu)加工、裝配的困難和質(zhì)量的增加。多點(diǎn)定位支撐很容易對(duì)反射鏡產(chǎn)生過約束,當(dāng)溫度變化時(shí)對(duì)反射鏡產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,造成反射鏡面形變化。另外,在空間環(huán)境下,反射鏡不再受重力的影響,多點(diǎn)支撐應(yīng)力的釋放也會(huì)影響反射鏡的面形,因此,該支撐方式不適合應(yīng)用于空間大口徑反射鏡。

3點(diǎn)定位+多點(diǎn)主動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)是適于空間反射鏡的一種支撐方法,但是該方法需要在空間進(jìn)行復(fù)雜的在軌面形檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理和控制,大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和難度。

空間定位支撐+地面卸載支撐方式適于大口徑、超輕型反射鏡的定位和支撐。通過定位支撐保證反射鏡的位置精度,并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)保證反射鏡能經(jīng)受發(fā)射環(huán)境的影響;通過多點(diǎn)卸載支撐消除地面環(huán)境下重力的影響,卸載支撐不參與空間反射鏡的定位和支撐。

4 定位支撐的基本原理和實(shí)現(xiàn)形式

由上述分析可知,大口徑、超輕型反射鏡適合采用定位支撐+地面卸載支撐的方式;定位支撐精確限制反射鏡的6個(gè)自由度,避免在溫度環(huán)境和力學(xué)環(huán)境變化時(shí),定位和支撐對(duì)反射鏡產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,從而影響反射鏡的面,并保證反射鏡能經(jīng)受惡劣發(fā)射力學(xué)環(huán)境的影響;卸載支撐主要在地面環(huán)境下消除重力環(huán)境對(duì)反射鏡面形的影響,遙感器裝調(diào)、檢測(cè)結(jié)束后,去除卸載支撐。

4.1 定位支撐的基礎(chǔ)原理和實(shí)現(xiàn)

理想狀態(tài)下,定位支撐應(yīng)精確限制反射鏡的6個(gè)自由度,圖2列出了2種典型的基于精確約束理論的運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐結(jié)構(gòu),開爾文運(yùn)動(dòng)定位支撐和博伊斯運(yùn)動(dòng)定位支撐。這2種運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐結(jié)構(gòu)均采用了球面和平面的配合方式,接觸區(qū)為點(diǎn)接觸,該結(jié)構(gòu)具有較好的重復(fù)定位精度和微動(dòng)力穩(wěn)定性。但是這種定位支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不封閉,剛性較差,加工成本高,并且加工精度要求高。

圖2 基于精確約束理論的典型支撐結(jié)構(gòu)

為了增加定位的剛度,減少接觸應(yīng)力,同時(shí)保證定位的精度,常采用準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐[8]。準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐有2種實(shí)現(xiàn)方式。

(1)用線線接觸或小面積接觸代替點(diǎn)點(diǎn)接觸

為了增加運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐的剛度,將運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐的點(diǎn)點(diǎn)接觸用線線接觸或小面積接觸實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束,圖3為準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐實(shí)現(xiàn)方式。

用線線接觸或小面積接觸代替點(diǎn)點(diǎn)接觸,從而實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的約束。其定位點(diǎn)的分布和運(yùn)動(dòng)學(xué)定位相同,3個(gè)定位裝置間隔120°,且分布在同一個(gè)圓上,3個(gè)定位點(diǎn)構(gòu)成1個(gè)等邊三角形且定位槽的軸線相交于物體的質(zhì)心處,這樣具有較好的剛度和穩(wěn)定性。定位裝置包括定位球和具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的定位槽,定位球和定位槽之間通過小面積接觸實(shí)現(xiàn)精確定位,具體實(shí)現(xiàn)形式有圖3所示的A、B兩種方式。這2種方式都是通過在定位塊或定位槽中切除一部分,實(shí)現(xiàn)定位塊和定位槽在一個(gè)方向?qū)ΨQ兩點(diǎn)的很小面積的接觸,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐。

圖3 準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)現(xiàn)方式

(2)柔性支撐

柔性定位和支撐是在有過約束的方向上,通過柔性環(huán)節(jié)加以消除,是準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐的一種,但是并不能完全消除過約束。常用的柔性環(huán)節(jié)按自由度分為柔性轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、彈性移動(dòng)副、虎克鉸和球鉸。

柔性支撐的典型方式是3點(diǎn)Bipod定位支撐,由6根兩端帶鉸的空間桿構(gòu)成3組Bipod結(jié)構(gòu),1根2端帶鉸的空間桿具有一個(gè)約束,6根桿約束了鏡子的6個(gè)自由度,實(shí)現(xiàn)反射鏡的準(zhǔn)精確定位。

4.2 卸載支撐的基本原理和實(shí)現(xiàn)

由于反射鏡在空間失重環(huán)境下工作,但是反射鏡的加工、檢測(cè)和裝調(diào)都在重力環(huán)境下進(jìn)行,在地面環(huán)境下必須采取重力卸載措施。重力卸載措施的主要功能是消除重力環(huán)境對(duì)反射鏡面形的影響。常用的重力卸載方法包括以下4種:

1)機(jī)械杠桿卸載。通過重錘可以方便地控制不同卸載支撐點(diǎn)的支撐力,并且卸載支撐去除方便,適合反射鏡光軸垂直以及水平等不同方位時(shí)反射鏡的重力卸載。

2)致動(dòng)器卸載。常用的為壓電陶瓷致動(dòng)器,即通過控制壓電陶瓷致動(dòng)器的電壓,實(shí)現(xiàn)不同的支撐力。適合反射鏡光軸垂直以及水平等不同方位時(shí)反射鏡的重力卸載。

3)氣囊(氣袋)卸載。一般用于反射鏡光軸垂直時(shí)消除重力的影響。氣囊容易構(gòu)成壓力均勻的連續(xù)支撐,是理想的大型反射鏡卸載支撐方式,支撐力可以通過人為進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

4)水銀帶和鋼帶卸載。這種卸載方式一般用于光軸水平時(shí)反射鏡的側(cè)支撐。

以上4種卸載支撐方式各有優(yōu)缺點(diǎn),一般反射鏡在檢測(cè)和裝調(diào)階段適宜采用機(jī)械杠桿或多點(diǎn)致動(dòng)器卸載方式。通過這些卸載支撐點(diǎn)模擬重力環(huán)境,使在空間環(huán)境下,由3個(gè)定位支撐點(diǎn)造成的反射鏡面形變化在技術(shù)要求的范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

大口徑、超輕型反射鏡適合采用定位支撐+卸載支撐的定位和支撐方式,定位支撐主要用來保證反射鏡的位置精度,并能經(jīng)受惡劣發(fā)射力學(xué)環(huán)境的影響,為了精確限制反射鏡的6個(gè)自由度避免過定位對(duì)反射鏡的面形產(chǎn)生影響,定位支撐應(yīng)采用準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)定位支撐方式。卸載支撐主要在地面環(huán)境下消除重力對(duì)反射鏡面形的影響,為了方便加載和去除,適宜采用壓電陶瓷致動(dòng)器進(jìn)行卸載。

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