专利名称：用于空间观测仪器的鲁洛三角形形式的可展开反射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如观测卫星的航天器载有的观测仪器，更具体的说， 包含反射器的观测仪器，当承载其的航天器已经到达选定位置时希望
将反射器展开(deploy)(或打开)。 io
背景技术：
如本领域技术人员所知道的那样，某些空间观测任务需要配备有 (通常称为主要类型的)大直径反射器的观测仪器。特别是对于希望 从例如Molnya或L2的高对地静止轨道(GEO)高分辨率地观测地球 或天空的任务的情况下。未来的JWST (詹姆斯一韦伯空间望远镜，
is James Webb Space Telescope)望远镜就是一个例子。它实际上使用直径 大约6米的主要反射镜。
通过火箭将承载这种观测仪器的航天器放入轨道，火箭的护罩直 径决定了仪器的直径。如果仪器直径一旦在轨道上超过护罩直径，在 点火阶段(或发射阶段)就必须通过适当机构压縮(compact)(或折
20 叠回)其主要反射器，而一旦在轨道上就要凭借机构和松开(decompact) 策略来松开(或展开、或打开)。这些压縮/松开策略在例如(与机构相 关的)机械约束、热弹性约束和图象质量约束的几种约束下用公式表 达。这些约束众所周知，可以实施的解决方案的数量相当有限。
一种特别用于JWST望远镜的解决方案，其包括使用配备有中心
25部分和至少两个在点火期间折叠回的横向部分的主要反射镜。中心部 分和横向部分包括例如六角形形状的反射板(tiling)，其一 旦被松开(或 展开)将构成近似抛物面的六角形板。值得注意的是六角形板是最佳 的，这是因为对于圆形区域上一个或相同限制的波段功能而言六角形 板比矩形板密集度(dense)少13.4%的情况。
30 这种六角形板产生一个问题，因为它不能使采集(或反射)面积
最优化。特别是，如果考虑到最小采集面积被内接在不包括六角形采集板整个面积的圆形区域中，则位于该圆形域外侧的板的所有部分就 是没用的并增加了着陆区域和反射镜的质量。例如可以显示出在包括7
个六角形的板(采样)的情况下，采集面积的大约44.7%是没用的，这
是因为其处在要近似圆盘的外侧。如果现在考虑必须由圆形区域对向
5 (subtend)整个采集面积(因此板的面积)，则由于在圆周上存在未填 充区域、和因此导致的采集面积的亏缺而产生MTF ("调制传输函数") 的各向异性。
为了消除该缺点，可以例如使用更小、和因此更大数量的六角形。 圆盘的近似确实更好而失去的采集面积更小(存在37个六角形时大约 10 有22%的面积缺失)。然而，这种解决方案相当大的增加了制造反射镜 的难度。特别是，由于反射镜的每个六角形板都必须由执行器进行现 场控制以抵消轨道上的不稳定，所以优选限制执行器的数量，特别要 限制轨道上的故障率、支承部的机械复杂性、展开和轨道控制结构、 整体质量和制造成本。
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发明内容
由于已知解决方案没有完全令人满意的，因此本发明的目的是改 善这种状况。
为该目的提出一种用于空间观测仪器的可展开反射器，包括选定 20 数量的可展开反射单元， 一旦它们被展开成第一位置，则以具有闭合
凸曲线的鲁洛(Reuleaux)三角形一起限定反射面积，所述闭合凸曲线的
宽度是作为方向的函数的常量。
这种解决方案可以通过沿着依赖于其特殊几何形状(构成最小面
积的球状(orbiform)的鲁洛三角形)的特征轴进行折叠来执行反射器的 25压縮。此外，在呈现更小面积的同时，这种特殊三角形继承了圆的性
质，它提供了与圆盘不同的光瞳几何形状、但带来了如圆形光瞳所提
供的仪器对MTF相同的各向同性的支持。
可以示出折叠回的反射器呈现出圆形着陆区域，其半径对应于等
价圆形光瞳的半径的84.5% (即，其将具有相同的光学截止函数(或 30OCF))。此外，相对于圆形反射器而言这种解决方案的横向着陆区域
的收获是大约15%。此外，这种解决方案导致相对于圆盘而言采集面积(因此质量方面)减少10.3%。从而所采集的光子数量基本上以相同 比率减少，但是可以通过更大曝光时间或通过使用恢复处理来补偿， 以产生与由圆形光瞳获得的相同质量的图象。
根据本发明的可展开反射器可以包含其它特征，其可以分开或组 5 合采用，特别是
-它可以包括i )六个可展开反射单元，其限定出反射面积的三对 相同和互补的部分，每对包括第一和第二互补单元，以及ii) 一种机
构，与单元相连接并且承担， 一方面，在将相对于所述鲁洛三角形的 三条直角等分线之一、至少部分地处于彼此相向地折叠回的第二位置 10的每对的第一和第二单元展开之前进行保持，另一方面，围绕相应的 直角等分线转动每对的第一和第二单元以便将它们放置成所述第一位
置；
机构要承担在将相对于所述鲁洛三角形的三条直角等分线之一 的，至少部分地彼此相向地折叠回的第二位置的每对的第一和第二单
15元展开之前进行保持，从而使它们的反射面积基本上相互面对；
每对的每个第一单元和每个第二单元可以包含第一末端部分和 第二末端部分，第一末端部分位于反射器的中心区的水平面处，第二 末端部分一旦被展开即位于鲁洛三角形的三个顶点之一的水平面处。 在这种情况下，机构要承担相对于基本垂直于相应的直角等分线的轴
20 跨越选定的角度部分而转动每对的第一和第二单元的末端部分从而将
它们放置成第二位置，在第二位置处经过它们第一和第二末端部分的 所述轴与垂直于三条直角等分线并经过所述中心区的中心的方向产生
第一选定角度；
第一角度例如选择成处于0°和30。之间的区间； 25 机构还要承担围绕所述轴跨越选定的角度部分转动至少其中一
对的第一和第二单元的末端部分，以便使该对更靠近至少另一对。 本发明还提出一种用于航天器的观测仪器，包括至少一个如前述
权利要求之一所述的可展开反射器。
该观测仪器可以包括例如轴类型的支承部，首先，基本平行于与
30 鲁洛三角形的三条直角等分线垂直的方向，其次，与可展开反射器的 机构一体化，而再次，在选定水平面处配备有三个孔，当一对的第一和第二单元被放置成第二位置时，每个孔都适于容纳该对的第一和第 二单元的部分。虽然不是专有，但本发明特别适于意图安装在例如卫星的航天器 中的(用于光学应用的)望远镜类型或(用于微波应用的)天线类型
在对此后的详细介绍和附图进行研究的基础上，本发明的其它特 征和优点是显而易见的，其中 10 -图1以图形方式示出怎样以几何方式构造鲁洛三角形，-图2以图形方式示出鲁洛三角形形状的光瞳具有与圆形形状光瞳 相同的光学截止频率(OCF)，-图3八-30以图形方式示出可以折叠回根据本发明的反射器的一系 列步骤，15 -图4八和48分别以图形方式示出根据本发明的第一示例性折叠回 的反射器的透视图、和根据本发明的第二示例性折叠回的反射器的端 视图(end-onview)，以及-图5八和5:8以图形方式示出一部分观测仪器，其中它的次要反射器 不出现而主要反射器分别折叠回和展开(或打开)。20 如果适当，附图不仅能够用于补充本发明，还有助于其释义。
具体实施方式
本发明的目的是为空间观测仪器提供一种大直径的(主要)反射 器，在点火阶段其横向着陆区域(footprint)被最小化而在轨道上可进 25行机械的展开(或打开)。更准确地说，本发明提出一种包含选定数量的可展开反射单元的 可展开反射器， 一旦这些可展开反射单元在第一位置被展开，它们就 一起以被称为鲁洛三角形的形式限定具有闭合凸曲线的的反射区域， 该闭合凸曲线的宽度是作为方向的函数的常数。30 在光学应用的情况下，反射器是例如反射镜。如图l中图示的那样，为了以几何方式构造鲁洛三角形，首先要形成相互之间以下述方式放置的三个圆Ci ( — 1至3)， g卩，它们每一个的圆周(Ci)经过另外两个(Ci')的中心Ai， ( i，^i)。通过用直线的方 式连接三个圆Ci的中心Ai限定出边为d的等边三角形TE。通过两两连接 圆Ci的中心Ai的三个圆Ci的三个弧来限定边为d的鲁洛三角形TR的各 5部分。如上所述，鲁洛三角形是一种属于常数宽度曲线(或球状， orbiforms)族的闭合曲线，其代表之一是圆。当在正方形范围内旋转 时，这些球状曲线是同时接触该正方形的四个边的闭合曲线。闭合凸 曲线的宽度被限定为划定其界限的两条平行直线之间的距离。结果是io 边为d的鲁洛三角形的自相关支持(auto-correlation support)在几何上 等于直径为d的圆的自相关支持。通过使用包含反射器的望远镜或天线(或更通常是观测仪器)，不 仅可以沿着某些轴(其直角等分线，right bisector, Mi)有效压縮所述 反射器从而在点火阶段最小化其横向着陆区域，还可以赋予它圆的各15向同性，其中反射器一旦被打开将限定鲁洛三角形形状的(采集)入 射光瞳。值得注意的是，通过执行其入射光瞳的自相关来获得光学仪 器的MTF。如果入射光瞳是圆形的则其MTF所支持的也是圆形。然后， 各向同性保证仪器在所有角度方向上等同地采集能量(光子)。该特征 是广视场观测的架构的基础，特别是在地球观测的架构中。20 与呈现相同光学截止频率(或OCF)的圆形形状反射器相比，使用鲁洛三角形形状打开的反射器可以进一步最小化其采集面积并从而 可以最小化其质量。无可否认，采集面积的縮减必须通过曝光时间(光 子积分时间)的增大来补偿。当然，值得注意的是，信噪比取决于曝 光时间与采集面积之间的乘积，从而需要以成比例的更长的时间曝光，25 以便用更少的采集面积获得一幅相同的图象。由于通过观测仪器成像 的地形保持相对(或甚至是永久地)固定，所以在从(例如对地静止 轨道的)高轨道进行空间观察的架构内增加曝光时间的关键性有所降 低。还可以使用(去巻积或后累加(post-accumulatkm)类型的)恢复 处理来补偿所收集光子数量的减少。30 如图2中所示出的那样，当鲁洛三角形TR的三个顶点A、 B和C分别位于边为d的等边三角形TE的三个顶点上时， 一旦打开(或展开)就呈现出这种边为d的鲁洛三角形形状TR的反射器将准确带来与由直径为d的圆形形状光瞳CE呈现出的相同OCF。因此，其入射光瞳是边为d的鲁洛三角形形状的反射器TR的观测仪 器的光学传输函数(OTF)的支持等于利用直径为d的圆形形状反射器 5CE所获得的那样。不过，该入射光瞳TR呈现出比圆形入射光瞳CE呈现 出的更小尺寸的面积。特别是，如果d表示被内接在相关的鲁洛三角形 TR中的等边三角形TE的边长，则相关的鲁洛三角形TR的面积AR等于外接圆CE的面积Ac等于io 4 = ^一c 4由此可得出鲁洛三角形TR所占的面积为外接圆CE面积的大约 89.7%。从而，如果假设反射器的质量与其面积直接成比例，则鲁洛三 角形形状的反射器TR的质量比以纯粹圆形几何形状CE的反射器的质 量大约少10.3%。15 此外，如果内接于鲁洛三角形TR内的圆C，的半径被称为rt，贝Urt与外接圆CE的半径r (r=d/2)的关系如下 《=2r(1 - V^) 0.845r 由此可得出= r - ; = r ^s 0.155r20 具有相同OCF的内接圆C，与鲁洛三角形TR之间的最大偏差对应于 外接圆CE半径的大约15.5。/。。要声明的其他方面，鲁洛三角形TR的中 心O与其边缘之间的最小距离OD等于半径rt，其本身等于具有相同OCF 的外接圆CE的半径r的值的84.5。/。。因而，如果希望以优化方式(也就是说获得最小着陆区域)压縮25鲁洛三角形形状的反射器TR，必须首先沿着线段OA、 OB和OC"切"它， 从而构成三个互补(complimentary)的并基本上相同的部分Ei(i二l至3)， 然后，如图3A和3B中所示出的那样，将每个部分E船着鲁洛三角形TR 的相应直角等分线Mi折叠成两个基本上互补的子部分(或单元)Eij (j=a 或b)。如图2中所示出的那样，每个直角等分线Mi实际经过位于鲁洛三角形TR边缘上离中心O最小距离位置处的点(在M1情况下是D)。这样 分割成可展开单元Eij的Ei对的反射器确保通过以半径为rt的内接圆C' 划定最大着陆区域的界限。注意到下面这些是重要的，即可以如图3B中示出的那样，将成对 5的两个单元(子部分)Eij (Eia和Eib)或部分Ei彼此相向地部分折叠回， 或如图3C中示出的那样，彼此相向地全部折叠回，从而使它们的反射 表面彼此相对并近似相互平行。在图3A至3D中，附图标记RP表示不处 于展开(或打开)位置时的反射器，而附图标记RD表示处于展开位置 (或第一位置)时的反射器。 io 当Ei对的可展开单元Eij已经彼此相向地部分或全部折叠回时，平行于单元Eij的每个边缘、经过单元Eij的顶点并经过位于中心区ZC中的 第一末端部分的轴AX相对于轴XX呈角度e，其中轴XX在鲁洛三角形 TR的(位于中心区ZC中的)中心O的水平面处垂直于(展开的)鲁洛 三角形TR的直角等分线Mi。可展开单元Eij的顶点是第二末端部分，其 15 当鲁洛三角形TR完全展开(第一位置)时，部分限定鲁洛三角形TR的 三个顶点A、 B和C的其中之一。特别在图3C中示出的(点火阶段)反射器RP的最大着陆区域可以 被减小。因而，可以驱动(部分或全部折叠回的)每个可展开单元Eij的顶点跨越选定的角度部分而朝向轴xx，从而减小角度e的值。于是20反射器RP的横向着陆区域当然由半径小于rt的圆确定界限。例如，最终角度e可以处在大约o。和大约3o。之间。该最终角度e越小，(点火阶段)反射器RP的横向着陆区域越小。在图3D和4A中示出的例子中，最终角度基本等于零(0)。这对应 于在点火阶段对于保持反射器MR的可展开单元Eij是有利的最终位置25 (或第二位置)。(点火阶段)反射器RP的最大着陆区域还可以进一步减小。因而，如图4B中示出的那样，可以跨越选定的角度部分而围绕XX轴转动可展 开单元Eij的至少一对Ei，从而使它更靠近至少另一对Ei'。在图4B中示 出的例子中，已经使E1对(Ela和Elb)和E3对(E3a和E3b)更靠近E2 30 对(E2a和E2b)。因此当反射器RP处于其(点火阶段中的)第二位置 时其横向着陆区域相对于当这种相同的反射器RP处于其(一旦展开的)第二位置RD时的着陆区域而言可以大大减小。通过连接到反射器RP的成对可展开单元Eij，并形成部分观测仪器 IO的机构MC来执行所有这些折叠回操作。例如，如图5A和5B中示出的那样，观测仪器IO可以包括支承部 5 MA，例如(可能中空的)杆，其基本上沿着XX轴延伸并包括，首先， 装配部EM，例如可展开(主要)反射器RP的机构MC例如安装于其中， 其次，与装配部EM相同的三个主要孔(或缝)OP，当Ei对被放置成第 二位置时三个主要孔的每一个都意图容纳Ei对的第一Eia和第二Eib可 展开单元的一部分，再次，支承次级反射器RS的末端部分。 io 图5A中示出点火阶段反射器RP的示例性折叠回位置(或第二位置)，而图5B中示出观测阶段反射器RP的打开或展开的位置(或第一 位置)。在折叠回的情况下通过执行上述操作进行从其第二位置到其第一 位置的反射器RP的展开(或打开)，而反过来，通过机构MC的方式。 15 因此， 一旦航天器已经进入轨道，机构MC就开始可选地通过围绕XX 轴转动初始时靠近另一对Ei'的每对Ei，以使它们相互之间基本上为 120°。接着，机构MC移动单元Eij的Ei对的顶点离开XX轴，直到XX轴 与AX之间的角度等于e。最后，机构MC围绕每个直角等分线Mi转动每 个相应Ei对的可展开单元Eij直到反射器RP呈现出相应于其第一位置的 20 鲁洛三角形形状。本发明提供多个优点，其中-对由于有角度的不变截止频率而与圆形反射器几乎相同的(在积 分时间内)的成像能力而言，在质量和着陆区域方面具有显著收获，-与由六角形单元方式制成的反射器相比，待控制单元数量减少， 25因此用于定位单元的机构减少，从而组成轨道上的适合该任务的反射 器，-最小化和完全有用的采集面积，-由于待展开元件的低数量导致的展幵机构的縮减。本发明不限于仅仅作为例子的上述可展开反射器和空间观察仪器30 实施例，而是包含在所附权利要求的架构内通过本领域技术人员可以 想象的所有变体。
权利要求
1、一种用于空间观察仪器(IO)的可展开反射器(RP)，其特征在于，它包括选定数量的可展开反射单元(Eij)，一旦被展开成第一位置，适于以具有闭合凸曲线的鲁洛三角形(TR)的形式一起限定反射面积，所述闭合凸曲线的宽度是作为方向的函数的常量。
2、 根据权利要求1所述的可展开反射器，其特征在于，它包 含i )六个可展开反射单元(Eia、 Eib)，该可展开反射单元(Eia、 Eib)io 限定出所述反射面积的三对相同和互补的部分(Ei)，每对(Ei)包括 第一 (Eia)和第二 (Eib)互补单元，以及ii) 一种机构(MC)，其与 所述单元(Eia、 Eib)相连接并被设计成， 一方面，在将相对于所述鲁 洛三角形(TR)的三条直角等分线(Mi)之一、至少部分地处于彼此 相向地折叠回的第二位置的每对(Ei)的第一 (Eia)和第二 (Eib)单15 元展开之前进行保持，另一方面，围绕相应的直角等分线(Mi)转动 每对(Ei)的第一 (Eia)和第二 (Eib)单元以便将它们放置成所述第 一位置。
3、 根据权利要求2所述的可展开反射器，其特征在于，所述 20机构(MC)被设计成，在将相对于所述鲁洛三角形的三条直角等分线(Mi)之一的，至少部分地彼此相向地折叠回的第二位置的每对(Ei) 的第一 (Eia)和第二 (Eib)单元展开之前进行保持，从而使它们的反 射面积基本上相互面对。25
4、根据权利要求2和3之一所述的可展开反射器，其特征在于，每对(Ei)的每个第一单元(Eia)和每个第二单元(Eib)可以包 含第一末端部分和第二末端部分，第一末端部分位于所述反射器(RP) 的中心区(ZC)的水平面处，第二末端部分一旦被展开即位于所述鲁 洛三角形(TR)的三个顶点之一的水平面处，其特征还在于，所述机30构(MC)被设计成绕基本垂直于相应的直角等分线(Mi)的(XX) 轴，跨越选定的角度部分而转动每对(Ei)的第一 (Eia)和第二 (Eib)单元的所述末端部分，从而将它们放置在第二位置，在第二位置处经 过它们第一和第二末端部分的(AX)轴与垂直于三条直角等分线(Mi)并经过所述中心区(ZC)的中心(O)的(XX)方向产生第一选定角 度。
5、 根据权利要求4所述的可展开反射器，其特征在于，所述 第一角度在处于0°和30。之间的区间中进行选择。
6、 根据权利要求4和5之一所述的可展开反射器，其特征在 10于，所述机构(MC)被设计成围绕所述(XX)轴跨越选定的角度部分转动所述(Ei)对的至少一对的第一 (Eia)和第二 (Eib)单元的所 述末端部分，从而使该对更靠近至少另一对。
7、 一种用于航天器的空间观测仪器(10)，其特征在于，它 15包括至少一个如上述权利要求之一所述的可展开反射器(RP)。
8、 根据权利要求7所述的空间观测仪器，其中，它包括轴类 型的支承部(MA)， i )基本平行于与所述鲁洛三角形(TR)的三条 直角等分线(Mi)垂直的(XX)方向，ii)与所述可展开反射器(RP) 的机构(MC) —体化，iii)在选定水平面处配备有三个孔(OPi)，当 一对(Ei)的第一 (Eia)和第二 (Eib)单元被放置成所述第二位置时， 每个孔都适于容纳该对(Ei)的第一 (Eia)和第二 (Eib)单元的部分。
全文摘要
本发明涉及一种用于空间观察仪器的可展开反射器(RP)，包括选定数量的可展开反射单元(E1a-E3b)，其一旦被展开成第一位置，以具有闭合凸曲线的鲁洛三角形(RD)形式一起限定反射面积，所述闭合凸曲线的宽度是作为方向的函数的常量。
文档编号H01Q1/28GK101322052SQ200680036029
公开日2008年12月10日 申请日期2006年9月5日 优先权日2005年9月5日
发明者F·法尔宗, P·勃朗 申请人:泰勒斯公司