一种可变刚度的反射镜支撑设计方法与流程

1.本发明涉及光学遥感相机反射镜支撑技术领域，尤其涉及一种可变刚度的反射镜支撑设计方法。


背景技术：

2.随着空间光学遥感向高分辨率、大视场方向发展，反射镜口径也越做越大，在反射镜口径较大的情况下能够保证反射镜面形、以及位置稳定性将更加困难，反射镜支撑结构的设计就显得越来越重要，支撑结构是连接反射镜和相机主体结构的关键部组件，其结构形式、材料参数、刚度等指标直接影响反射镜面形、位置精度和抗力学性能；
3.在地面力学试验和相机发射阶段，要求反射镜支撑结构具有较高的刚度和强度，以抵御发射力学带来的结构振动放大；
4.在轨工作期间，一方面严酷的外热流环境会导致卫星平台、相机主体以及反射镜出现温差，即使采用精密的主动+被动热控方案以及低热膨胀系数材料，相机主体支撑结构以及反射镜支撑结构仍然会对反射镜面形和位置精度产生较大影响，造成系统成像质量下降，另一方面以线谱和随机谱存在的高频微振动环境会通过支撑结构传递到反射镜引起镜面高频刚体位移抖动，同样造成图像模糊；
5.上述在轨环境均要求反射镜支撑结构具有较高的柔性，能够将卫星及相机主支撑结构的变形释放或振动隔离；
6.目前，在反射镜支撑设计过程中主要通过权衡发射阶段高刚度要求和在轨高柔性要求，即反射镜支撑结构一旦确定，刚度不可改变，要求反射镜支撑结构既能适应发射力学环境，又能适应热稳定性指标和微振动影响，这样的设计结果往往通过牺牲部分在轨成像质量来达成；
7.因此，就以上问题提供一种既能充分考虑发射力学环境影响，又能减小或消除在轨环境影响，提高在轨成像质量的可变刚度的反射镜支撑结构设计方法是必要的。


技术实现要素：

8.本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种反射镜支撑结构设计方法，既能充分考虑发射力学环境影响，又能减小或消除在轨环境影响，提高在轨成像质量。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.本发明公开的一种可变刚度的反射镜支撑设计方法，包括：
11.步骤1，确定反射镜镜体，在满足反射镜裸镜相关指标的情况下轻量化设计反射镜镜体，减小反射镜镜体质量，增加反射镜镜体刚度；
12.步骤2，根据步骤1设计柔性支撑结构，用于反射镜镜体空间定位，并能够适应热稳定性变化要求、以及隔离微振动环境；
13.步骤3，根据步骤2设计辅助支撑结构，所述辅助支撑结构对步骤2中的所述柔性支撑结构形成保护和增强，用于满足发射阶段的支撑需求；
14.步骤4，建立所述反射镜镜体、柔性支撑结构、辅助支撑结构的有限元模型，在方案初期，通过弹簧单元模拟附加所述辅助支撑结构进行方案寻优，改变弹簧单元的刚度系数计算反射镜组件的结构基频，寻找附加所述辅助支撑结构的最佳结构刚度和刚度调整范围；
15.步骤5，对辅助支撑结构进行详细结构设计和控制方案设计；
16.步骤6，建立详细的辅助支撑结构模型，复核所述辅助支撑结构模型的正确性。
17.进一步的，所述柔性支撑结构包括柔性区域和非柔性区域；
18.所述柔性区域两端均布设有所述非柔性区域，其中，一个所述非柔性区域通过锥套与所述反射镜镜体固连，另一个所述非柔性区域与相机支撑结构固定连接。
19.进一步的，所述辅助支撑结构包括多个压板和支撑所述压板与所述非柔性区接触的压缩弹簧；
20.所述压缩弹簧远离所述压板端通过卡盘组件驱动所述压缩弹簧支撑所述压板与所述非柔性区接触。
21.进一步的，所述卡盘组件为四爪卡盘。
22.在上述技术方案中，本发明提供的一种可变刚度的反射镜支撑设计方法，有益效果：
23.1、本发明设计的柔性支撑结构，综合考虑了反射镜支撑在地面发射环境、在轨热环境、在轨微振动等因素时的不同要求，支撑结构的适应性更强；
24.2、本发明设计的辅助支撑结构，通过辅助支撑结构保证了柔性支撑结构的刚度可变，与现有技术中刚性固定的支撑方法相比，具有可以根据成像需求实现在轨实时调整，改变柔性支撑结构的刚度性能；
25.3、本发明设计的辅助支撑结构，在地面时，将柔性支撑结构支撑刚度提高，在轨时，将柔性支撑结构支撑刚度降低，可以减小传统柔性支撑结构由于重力场变化导致的反射镜面形变化。
附图说明
26.为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明公开的反射镜支撑结构示意图；
28.图2是本发明公开的反射镜镜体结构示意图；
29.图3是本发明公开的柔性支撑结构示意图；
30.图4是本发明公开的锥套结构示意图；
31.图5是本发明公开的辅助支撑结构示意图；
32.图6是本发明公开的辅助支撑结构局部放大图。
33.附图标记说明：
34.10、反射镜镜体；11、安装孔；12、第一加强筋；13、第二加强筋；14、减重孔；
35.20、柔性支撑结构；21、柔性区域；2101、柔槽，22、非柔性区域，2201、第一通孔；23、锥套；2301、环形粘接面；2302、第二通孔；
36.30、辅助支撑结构；31、压板；32、压缩弹簧；33、卡盘主体；34、卡爪；
37.40、基座；401、基座安装孔；402、滑槽。
具体实施方式
38.为了使本领域的技术人员更好地理解本的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
39.参见图1所示；
40.本发明一种可变刚度的反射镜支撑设计方法，包括如下步骤：
41.步骤1，确定反射镜镜体10，在满足反射镜裸镜相关指标的情况下轻量化设计反射镜镜体10，减小反射镜镜体10质量，增加反射镜镜体10刚度；
42.其中，反射镜镜体10为现有技术中采用背部支撑结构的反射镜镜体，并且反射镜镜体10背部开设三形角或圆形、六边形等减重孔，反射镜镜体10材料可以选择碳化硅材料，参见图2所示，反射镜镜体10下表面为镜面，反射镜镜体10远离镜面侧的上表面为反射镜镜体10背部，反射镜镜体10背部布设有三个安装孔11和多个第一加强筋12、以及减重孔14，反射镜镜体10侧部周向形成有多个第二加强筋13，反射镜镜体10背部的每个安装孔11内均固连有柔性支撑结构20，本实施例中反射镜镜体10开设有三个安装孔11，根据实际设计需求反射镜镜体10的安装孔11可以开设多个，本实施例只是在反射镜镜体10背部开设三个安装孔11为例；
43.步骤2，根据步骤1设计柔性支撑结构20，用于反射镜镜体10空间定位，并能够适应热稳定性变化要求、以及隔离微振动环境；
44.其中，参见图3、4所示，优选的，柔性支撑结构20包括柔性区域21和非柔性区域22；柔性区域21两端均布设有非柔性区域22，其中，一个非柔性区域22通过锥套23与反射镜镜体10固连，另一个非柔性区域22与相机支撑结构固定连接，柔性支撑结构20可以选择钛合金材料；
45.具体的，柔性区域21和非柔性区域22均为圆柱体结构，非柔性区域22外径大于柔性区域21外径，两个非柔性区域22外壁均与辅助支撑结构30接触，柔性区域21周向设置有多个柔槽2101，用于提高柔性支撑结构20的柔性，隔离微振动环境；
46.柔性区域21的两端均固连有非柔性区域22，非柔性区域22开设有多个第一通孔2201，其中，柔性区域21一端的非柔性区域22通过螺栓组件与锥套23固定连接，柔性区域21另一端的非柔性区域22通过螺栓组件与相机主支撑结构固定连接；
47.参见图4所示，锥套23可以采用膨胀系数小、导热系数低，塑性、韧性高的殷钢材料，锥套23外壁形成有环形粘接面2301，锥套23上开设有与非柔性区域22的第一通孔2201对应的第二通孔2302，第一通孔2201和第二通孔2302通过螺栓组件固定连接，柔性支撑结构20通过锥套23与反射镜镜体10过渡连接缓解柔性支撑结构20热膨胀系数与反射镜镜体10热膨胀系数不匹配对反射镜面形的影响，锥套23的环形粘接面2301通过胶粘工艺与反射镜镜体10的安装孔11内壁固连；
48.该机构中柔性支撑结构20主要能够适应在轨热环境变化和反射镜镜体10支撑面平面度变化带来的影响
49.步骤3，根据步骤2设计辅助支撑结构30，辅助支撑结构30对步骤2中的柔性支撑结
构20形成保护和增强，用于满足发射阶段的支撑需求；
50.其中，优选的，辅助支撑结构30包括多个压板31和支撑压板31与非柔性区接触的压缩弹簧32；压缩弹簧32远离压板31端通过卡盘组件驱动压缩弹簧32支撑压板31与非柔性区接触。
51.具体的，参见图5、6所示，辅助支撑结构30包括四个压板31和与压板31数量匹配的压缩弹簧32、以及卡盘组件；
52.卡盘组件包括卡盘主体33和卡爪34，优选的，卡盘组件为现有技术中k12-320规格的四爪卡盘，参见图1所示，盘主体33通过基座40与外部相机主支撑结构固定连接，基座40开设有基座安装孔401和滑槽402，基座安装孔401用于与相机主支撑结构固定连接，滑槽402用于避让卡爪34，当卡爪34沿盘主体33径向位移时，卡爪34能够沿滑槽402自由滑动，每个卡爪34位于非柔性区域22侧均固连有一个压缩弹簧32，压缩弹簧32远离卡爪34端固连有压板31，压板31均通过压缩弹簧32支撑与柔性支撑结构20的非柔性区域22接触，旋转卡盘主体33上的控制孔能够驱动卡爪34径向位移、压缩弹簧32被压缩地支撑压板31与柔性支撑结构20的非柔性区域22接触，卡盘组件相对的两个卡爪34为一组，从上下、左右对称地驱动压缩弹簧32支撑压板31与柔性支撑结构20的非柔性区域22接触，从而辅助提高柔性支撑结构20竖直和水平两个方向的刚度调整，改变柔性支撑20结构的刚度性能。
53.步骤4，建立反射镜镜体10、柔性支撑结构20、辅助支撑结构30的有限元模型，在方案初期，通过弹簧单元模拟附加辅助支撑结构30进行方案寻优，改变弹簧单元的刚度系数计算反射镜组件的结构基频，寻找附加辅助支撑结构30的最佳结构刚度和刚度调整范围；
54.其中，压缩弹簧32的刚度系数即k值可根据实际需要进行设计。
55.步骤5，对辅助支撑结构30进行详细结构设计和控制方案设计；
56.步骤6，建立详细的辅助支撑结构30模型，复核辅助支撑结构30模型的正确性。
57.在上述技术方案中，本发明提供的一种可变刚度的反射镜支撑设计方法有益效果；
58.1、本发明设计的柔性支撑结构，综合考虑了反射镜支撑在地面发射环境、在轨热环境、在轨微振动等因素时的不同要求，支撑结构的适应性更强；
59.2、本发明设计的辅助支撑结构，通过辅助支撑结构保证了柔性支撑结构的刚度可变，与现有技术中刚性固定的支撑方法相比，具有可以根据成像需求实现在轨实时调整，改变柔性支撑结构的刚度性能；
60.3、本发明设计的辅助支撑结构，在地面时，将柔性支撑结构支撑刚度提高，在轨时，将柔性支撑结构支撑刚度降低，可以减小传统柔性支撑结构由于重力场变化导致的反射镜面形变化。
61.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。