展开花瓣式空间望远镜主镜的制作方法
【专利摘要】展开花瓣式空间望远镜主镜属于超高分辨力天文观测、深空探测以及空间态势感知【技术领域】，目的在于解决现有技术存在的传统的整体式主镜体积、重量过大，无法使用运载工具发射入轨问题。本发明包括六边形主镜室和三组旁瓣子镜单元，每组旁瓣子镜单元包括旁瓣子镜、A形桁架、展开机构、定位机构、锁紧机构和子镜支撑及镜面调整机构；所述A形桁架通过定位机构与六边形主镜室配合，三个所述A形桁架圆周均布在所述六边形主镜室上，所述旁瓣子镜通过子镜支撑及镜面调整机构设置在A形桁架上，通过展开机构实现A形桁架相对六边形主镜室的展开和收拢，通过锁紧机构实现A形桁架展开后的锁紧，展开后三块旁瓣子镜采用Golay-3形式排列。
【专利说明】展开花瓣式空间望远镜主镜
【技术领域】
[0001]本发明属于超高分辨力天文观测、深空探测以及空间态势感知【技术领域】，具体涉及一种展开花瓣式空间望远镜主镜。
【背景技术】
[0002]空间望远镜的衍射分辨率受限于光学系统主镜尺寸，采用超大口径光学主镜是实现更高分辨力成像的必经之路。而传统的整体式主镜体积、重量过大，无法使用运载工具发射入轨。
[0003]目前，国际上已经发射了约200颗和空间天文有关的卫星和其它航天器，其中，著名的哈勃太空望远镜从1990年发射以来，其拍摄的大量天体照片为天文学研究做出了突出贡献。美国正在研制具有6.5m直径的展开花瓣式拼接主镜的詹姆斯韦伯太空望远镜，詹姆斯韦伯太空望远镜主镜由18片六边形子镜拼接而成，发射前将主镜两侧各三片拼接子镜收拢，发射入轨后展开。但是詹姆斯韦伯太空望远镜主镜造价高，结构非常复杂，不易实现，迄今为止，詹姆斯韦伯太空望远镜的发射一再延期。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种展开花瓣式空间望远镜主镜，解决现有技术存在的传统的整体式主镜体积、重量过大，无法使用运载工具发射入轨问题。
[0005]为实现上述目的，本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜包括六边形主镜室和三组旁瓣子镜单元，每组旁瓣子镜单元包括旁瓣子镜、A形桁架、展开机构、定位机构、锁紧机构和子镜支撑及镜面调整机构；
[0006]所述A形祐1架通过定位机构与六边形主镜室配合,三个所述A形祐1架圆周均布在所述六边形主镜室上，所述旁瓣子镜通过子镜支撑及镜面调整机构设置在A形桁架上，通过展开机构实现A形桁架相对六边形主镜室的展开和收拢，通过锁紧机构实现A形桁架展开后的锁紧，展开后三块旁瓣子镜采用Golay-3形式排列。
[0007]所述定位机构为三点锥面定位支撑框架，所述三点锥面定位支撑框架包括三个V形定位槽和三个定位球，所述三个V形定位槽分别和三个定位球接触配合，所述V形定位槽为V形面形式，所述定位球为局部球面组成的冠状结构形式，所述三个V形定位槽锐角排布设置于所述A形桁架与所述六边形主镜室接触面处。
[0008]所述子镜支撑及镜面调整机构为多个压电促动器，所述压电促动器在所述旁瓣子镜背部多单元三角排列，所述A形桁架通过柔性环节与压电促动器进行固定连接，压电促动器通过柔性环节与旁瓣子镜镜体相连。
[0009]所述多个压电促动器具体指至少3个。
[0010]所述展开机构包括步进电机、滚珠丝杠、精密展开铰链和展开杆，所述滚珠丝杠竖直设置在六边形主镜室的展开中央侧壁上，所述展开杆的两端与所述精密展开铰链连接，与所述展开杆连接的两组精密展开铰链的两端分别与滚珠丝杠和A形桁架连接，所述步进电机输出轴与所述滚珠丝杠连接。
[0011]所述锁紧机构包括电机、螺栓组和弹簧机构，电机与螺栓组中的螺杆通过联轴器连接；螺栓组中的螺帽与弹簧机构相连接设置在A形桁架端面处；电机驱动螺杆旋转进入螺帽内通过螺杆与螺帽的螺纹配合完成锁紧功能。
[0012]本发明的有益效果为:本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜采用旁瓣子镜展开方式组成大口径的空间望远镜主镜，本发明提出的主镜在相同外包络情况下与詹姆斯韦伯太空望远镜主镜相比，具有体积小、重量轻、结构简单、成本低的优势，由于当前运载能力及发射条件有限，采用展开花瓣式空间望远镜主镜与传统整体式主镜结构相比，可有效降低望远镜的体积和重量，可降低地面发射技术对望远镜发射的制约。满足未来我国在超高分辨力天文观测、深空探测以及空间态势感知【技术领域】的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜结构示意图；
[0014]图2为本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜成像光学系统三维效果图；
[0015]图3为本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜中的定位机构示意图；
[0016]图4为本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜中的锁紧机构示意图；
[0017]图5为本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜中的主动光学系统示意图；
[0018]图6本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜中采用的共焦共位相调整流程图；
[0019]其中:1、六边形主镜室，2、旁瓣子镜，3、A形桁架，4、步进电机，5、滚珠丝杠，6、精密展开铰链，7、展开杆，8、V形定位槽，9、定位球，10、电机，11、螺栓组，12、弹簧机构，13、压电促动器。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
[0021]参见附图1，本发明的展开花瓣式空间望远镜主镜包括六边形主镜室I和三组旁瓣子镜2单元，每组旁瓣子镜2单元包括旁瓣子镜2、A形桁架3、展开机构、定位机构、锁紧机构和子镜支撑及镜面调整机构；
[0022]所述A形桁架3通过定位机构与六边形主镜室I配合，三个所述A形桁架3圆周均布在所述六边形主镜室I上，所述旁瓣子镜2通过子镜支撑及镜面调整机构设置在A形桁架3上，通过展开机构实现A形桁架3相对六边形主镜室I的展开和收拢，通过锁紧机构实现A形桁架3展开后的锁紧，展开后三块旁瓣子镜2采用Golay-3形式排列。
[0023]所述定位机构为三点锥面定位支撑框架，所述三点锥面定位支撑框架包括三个V形定位槽8和三个定位球9,所述三个V形定位槽8分别和三个定位球9接触配合,所述V形定位槽8为V形面形式，所述定位球9为局部球面组成的冠状结构形式，所述三个V形定位槽8锐角排布设置于所述A形桁架3与所述六边形主镜室I接触面处。所述V形定位槽8和定位球9配合接触实现对整个定位机构六自由度上的约束，从而达到精确地定位一致性。
[0024]所述子镜支撑及镜面调整机构为多个压电促动器13，所述压电促动器13在所述旁瓣子镜2背部呈多单元三角排列，所述A形桁架3通过柔性环节与压电促动器13进行固定连接，压电促动器13通过柔性环节与旁瓣子镜2镜体相连。
[0025]所述多个压电促动器13具体指至少3个。
[0026]所述展开机构包括步进电机4、滚珠丝杠5、精密展开铰链6和展开杆7，所述滚珠丝杠5竖直设置在六边形主镜室I的展开中央侧壁上，所述展开杆7的两端与所述精密展开铰链6连接，与所述展开杆7连接的两组精密展开铰链6的两端分别与滚珠丝杠5和A形祐1架3连接,所述步进电机4输出轴与所述滚珠丝杠5连接。
[0027]所述锁紧机构包括电机10、螺栓组11和弹簧机构12，电机与螺栓组11中的螺杆通过联轴器连接；螺栓组11中的螺帽与弹簧机构12相连接设置在A形桁架3端面处；电机10驱动螺杆旋转进入螺帽内通过螺杆与螺帽的螺纹配合完成锁紧功能。
[0028]参见附图2，本发明中成像光学系统设计的三维效果图，采用折反射式系统，其中主镜与次镜采用反射镜，透镜组由七块透镜组成，主要用于平衡球差和色差，系统工作波段0.5 μ m?0.8 μ m，焦距4000mm，等效口径(外接圆)500mm,主镜采用稀疏孔径布局，三块子镜采用Golay-3形式排列，三块Φ200子镜展开后120°均布，共同构成稀疏口径Φ500的主镜，所拼接的主镜中心为外包络为Φ100的通光孔。
[0029]本发明的工作原理为:子镜精密展开机构采用步进电机4驱动滚珠丝杠5使精密展开铰链6作直线运动，从而通过展开杆7拉动A形桁架3实现旁瓣子镜2的展开。参见附图3，子镜定位机构采用三点锥面定位支撑框架结构，是由位于一个结构上的三个定位球9分别和位于另一个结构上的三个V型定位槽8接触定位组成，实现对整个定位机构六自由度上的约束，从而达到精确地定位一致性。
[0030]参见附图4，子镜锁紧机构采用电机+螺栓组11+弹簧机构12的结构，通过电机驱动螺杆旋转进入螺帽内通过螺杆与螺栓的配合完成锁紧功能。
[0031]子镜支撑及镜面调整机构采用子镜镜面背部规律排列的压电促动器13实现对旁瓣子镜2支撑，同时可进行子镜镜面精度的调整。
[0032]参见附图，5，本发明采用的主动光学系统构成，主动光学控制系统对旁瓣子镜2的三个方向的运动维度进行控制，因此需要三组线性促动器实现此功能，同时采用Shack-Hartmann传感器、可变形反射镜等器件作为最终面型调整的手段，用于保证主镜展开后的最终面型质量。
[0033]参见附图6，在主镜展开后，受到展开机构重复精度的限制，主镜一定会存在较大的像差，不能满足成像要求，需要启动共焦、共位相调整流程，使展开的望远镜主镜可以进行成像。具体调整流程包括以下步骤:
[0034]第一步，子镜图像捕获与识别。
[0035]子镜图像的捕获与识别分为两个步骤实现:子镜识别和像点排列。
[0036]在开始调整前，主镜的每个子镜分别与次镜等镜片构成一个独立的“小望远镜”，各自有着像质不一、位置随机分布的像点。像点是偏离中心主像点的，即展开子镜对应的像点。通过控制每块子镜背部的促动器，使子镜偏转一定的角度，通过观察图像的变化，可以建立起像点与展开子镜之间的对应关系。然后是像点排列，根据子镜识别过程中确定的展开子镜与像点之间的对应关系，将像点按照子镜的分布形式排列，为后续的调整步骤做准备。
[0037]第二步，全局粗调整
[0038]经过第一步调整，能够获得按照子镜分布形式排列的展开子镜的像点，但是像点的成像质量比较差，存在较大的像差，并且不在最佳像面上。通过控制展开子镜背部的促动器进行活塞运动，获得几帧子镜和次镜在不同间隔上，光学系统的图像，由于次镜活塞运动的位移量是已知的，所以可以通过波前传感算法计算得到每块子镜的姿态、位置偏差。
[0039]经过上述调整，虽然展开子镜对应的像点质量仍然达不到最理想的效果，但是已经明显优于第一步调整完成时的状态。在此基础上，通过控制每块子镜的倾斜，使展开子镜对应的像点堆叠至像面的中心区域，即可完成第二步的调整。
[0040]第三步，共位相粗调整
[0041]通过子镜间位移传感器测得子镜间的活塞误差，通过控制子镜背部的促动器可以校正子镜间的的活塞误差，实现主镜的共位相粗调整。
[0042]第四步，共位相精调整
[0043]通过引入已知的像差量，如离焦，将引入已知像差量前后的图像作为输入，运行波前传感算法，即可得到面型误差量，控制促动器实现共位相精调整；
[0044]第五步，波前监视与面型保持
[0045]在展开花瓣式系统长时间工作的过程中，面型仍可能发生漂移，因此共位相精调会按照预定的时间间隔重复进行。
【权利要求】
1.展开花瓣式空间望远镜主镜，其特征在于，包括六边形主镜室(I)和三组旁瓣子镜(2)单元，每组旁瓣子镜(2)单元包括旁瓣子镜(2)、A形桁架(3)、展开机构、定位机构、锁紧机构和子镜支撑及镜面调整机构； 所述A形桁架(3)通过定位机构与六边形主镜室(I)配合，三个所述A形桁架(3)圆周均布在所述六边形主镜室(I)上，所述旁瓣子镜(2)通过子镜支撑及镜面调整机构设置在A形桁架(3)上，通过展开机构实现A形桁架(3)相对六边形主镜室(I)的展开和收拢，通过锁紧机构实现A形桁架(3)展开后的锁紧，展开后三块旁瓣子镜(2)采用Golay-3形式排列。
2.根据权利要求1所述的展开花瓣式空间望远镜主镜，其特征在于，所述定位机构为三点锥面定位支撑框架，所述三点锥面定位支撑框架包括三个V形定位槽(8)和三个定位球(9),所述三个V形定位槽(8)分别和三个定位球(9)接触配合,所述V形定位槽(8)为V形面形式，所述定位球(9)为局部球面组成的冠状结构形式，所述三个V形定位槽(8)锐角排布设置于所述A形桁架(3)与所述六边形主镜室(I)接触面处。
3.根据权利要求1所述的展开花瓣式空间望远镜主镜，其特征在于，所述子镜支撑及镜面调整机构为多个压电促动器(13)，所述压电促动器(13)在所述旁瓣子镜(2)背部呈多单元三角排列，所述A形桁架(3)通过柔性环节与压电促动器(13)进行固定连接，压电促动器(13)通过柔性环节与旁瓣子镜(2)镜体相连。
4.根据权利要求3所述的展开花瓣式空间望远镜主镜，其特征在于，所述多个压电促动器(13)具体指至少3个。
5.根据权利要求1所述的展开花瓣式空间望远镜主镜，其特征在于，所述展开机构包括步进电机(4)、滚珠丝杠(5)、精密展开铰链(6)和展开杆(7)，所述滚珠丝杠(5)竖直设置在六边形主镜室(I)的展开中央侧壁上，所述展开杆(7)的两端与所述精密展开铰链(6)连接，与所述展开杆(7)连接的两组精密展开铰链￠)的两端分别与滚珠丝杠(5)和A形祐1架(3)连接,所述步进电机(4)输出轴与所述滚珠丝杠(5)连接。
6.根据权利要求1所述的展开花瓣式空间望远镜主镜，其特征在于，所述锁紧机构包括电机(10)、螺栓组(11)和弹簧机构(12)，电机与螺栓组(11)中的螺杆通过联轴器连接；螺栓组(11)中的螺帽与弹簧机构(12)相连接设置在A形桁架(3)端面处；电机(10)驱动螺杆旋转进入螺帽内通过螺杆与螺帽的螺纹配合完成锁紧功能。
【文档编号】G02B23/16GK104317044SQ201410591620
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】王刚, 王磊, 许博谦, 于夫男, 齐荔荔, 武国梁 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所