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长焦距大视场光学系统的光机结构设计

2014/11/13 15:54:43  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  1 引 言

  空间相机作为卫星的有效载荷,其组件在运输、发射、进入工作状态等各个阶段,会经受声、振动、冲击和加速度等各种形式的动力学环境。空间光学元件的镜面变形和光学元件间的相对尺寸的变化是影响成像质量和分辨力的一个重要因素,为了保证整机及其组件在可能遇到的动力学环境中能够正常工作,在发射运载过程中不受破坏,不产生残余变形,并保持相机良好的光学性能,要求相机各光学组件结构具有足够高的强度和刚度,所有结构必须经受住动力学环境考验,不发生结构破坏。此外,空间光学仪器还有严格的重量限制。因此,精心设计相机结构,确保相机组件和系统具备抵抗动力学环境载荷的能力[1]十分必要。

  空间相机在轨道运行时所处的热环境与地面热环境差异很大。从地面到空间,温度场的变化给光学遥感器带来诸多不利影响,而对尺寸稳定性的影响是其中重要的一个方面。由于相机在特定空间环境下工作,其使用环境温度变化会导致光学零件及其支撑结构发生一定程度的热变形,从总体上说,温度场的变化会使得空间相机光学元件和机械结构产生弹性变形,最终对空间相机的光学性能产生不利影响。因此,要求相机结构有较好的温度适应性[2]。

  2 相机光学系统设计结果

  某相机为离轴三反、无中心遮拦光学系统,采用空间桁架结构形式,具有视场大、体积小、传函高等特点。设计焦距为7 m,视场角为5°,设计传函达到0.43,如图1所示,达到衍射极限。

  

  3 相机光机结构设计

  3.1 反射镜材料选择

  空间相机反射镜材料除了具备所要求的光学特性外,还应该具有比刚度大、热变形系数小、导热性能良好等综合特性[3-4]。表1列出碳化硅与其它几种空间反射镜候选材料物理性能的对比情况。从表1中可以看出,碳化硅的比刚度优于玻璃材料,而且碳化硅的热变形系数是最小的,由此可以看出碳化硅材料具有明显的优势。

  3.2 相机反射镜组件设计

  该相机反射镜尺寸和材料统计见表2,其空间相机主反射镜尺寸达到近1 m量级,结构如图2所示,质量为35 kg,第三反射镜尺寸也达到了750 mm,质量为22 kg。本文以主、第三反射镜为例研究大尺寸反射镜支撑结构设计。

 

  对于空间反射镜的安装通常采用3点定位安装,但由于反射镜尺寸、质量较大,采用通常的3点支撑很难使反射镜达到成像要求,主要原因在于:由于重力作用,大尺寸的光学反射镜3点支撑将很难抵抗重力变形,同时也不能兼顾恶劣的空间环境温度变化,反射镜的面形精度以及刚体位移都将会超差,最终导致成像质量下降[5-6]。

  为此,多点支撑是最终选择。但多点支撑也将带来另外一系列的问题,主要包括:由于多点支撑必然导致过定位问题,由于这多点支撑的结构件很难在工艺上达到严格而统一的精度,如平面度、垂直度等,在装调时,这些工艺误差互相干涉将导致较大装配应力,这些应力将导致反射镜发生变形;多点支撑导致的装配应力,在经历动态过程后,将会在一定范围内释放和重新分布,也将会导致反射镜面型精度下降。

  本文经过研究,从理论与实践结合,提出主镜、三镜6点支撑方案,见图3。在这6点支撑中,3点支撑位为主要的支撑手段,用来承担大部分反射镜的重力和承受振动载荷,见图4。3点支撑位为辅助支撑,弥补主支撑的不足,见图5。主支撑的刚度较大,而辅助支撑刚度相应较小,以适应装调时应力变化。刚度较小的辅助支撑另一方面的作用是不会与主支撑结构零件热变形干涉。

  主镜组件设计重量为60 kg,三镜组件设计重量为35 kg。

 

  3.3 相机空间桁架结构设计

  随着空间观测对光学成像的分辨率要求越来越高,空间光学系统的口径将增大,焦距长,这就对光学系统反射镜支撑、安装固定等提出了更高的要求。桁架结构以其质量轻、结构简单、易于加工等优点,在空间大口径光学系统中得到广泛应用,如Hubble望远镜和SPOT5卫星上高分辨相机都采用了桁架结构。桁架结构作为相机的主承力部件之一,在设计时需要满足下列要求:

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