展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡的制作方法
【專利摘要】展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡屬于超高分辨力天文觀測、深空探測以及空間態(tài)勢感知【技術(shù)領(lǐng)域】，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的傳統(tǒng)的整體式主鏡體積、重量過大，無法使用運(yùn)載工具發(fā)射入軌問題。本發(fā)明包括六邊形主鏡室和三組旁瓣子鏡單元，每組旁瓣子鏡單元包括旁瓣子鏡、A形桁架、展開機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)；所述A形桁架通過定位機(jī)構(gòu)與六邊形主鏡室配合，三個(gè)所述A形桁架圓周均布在所述六邊形主鏡室上，所述旁瓣子鏡通過子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)置在A形桁架上，通過展開機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A形桁架相對六邊形主鏡室的展開和收攏，通過鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A形桁架展開后的鎖緊，展開后三塊旁瓣子鏡采用Golay-3形式排列。
【專利說明】展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超高分辨力天文觀測、深空探測以及空間態(tài)勢感知【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]空間望遠(yuǎn)鏡的衍射分辨率受限于光學(xué)系統(tǒng)主鏡尺寸，采用超大口徑光學(xué)主鏡是實(shí)現(xiàn)更高分辨力成像的必經(jīng)之路。而傳統(tǒng)的整體式主鏡體積、重量過大，無法使用運(yùn)載工具發(fā)射入軌。
[0003]目前，國際上已經(jīng)發(fā)射了約200顆和空間天文有關(guān)的衛(wèi)星和其它航天器，其中，著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡從1990年發(fā)射以來，其拍攝的大量天體照片為天文學(xué)研究做出了突出貢獻(xiàn)。美國正在研制具有6.5m直徑的展開花瓣式拼接主鏡的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡主鏡由18片六邊形子鏡拼接而成，發(fā)射前將主鏡兩側(cè)各三片拼接子鏡收攏，發(fā)射入軌后展開。但是詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡主鏡造價(jià)高，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，迄今為止，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射一再延期。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的傳統(tǒng)的整體式主鏡體積、重量過大，無法使用運(yùn)載工具發(fā)射入軌問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡包括六邊形主鏡室和三組旁瓣子鏡單元，每組旁瓣子鏡單元包括旁瓣子鏡、A形桁架、展開機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)；
[0006]所述A形祐1架通過定位機(jī)構(gòu)與六邊形主鏡室配合,三個(gè)所述A形祐1架圓周均布在所述六邊形主鏡室上，所述旁瓣子鏡通過子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)置在A形桁架上，通過展開機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A形桁架相對六邊形主鏡室的展開和收攏，通過鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A形桁架展開后的鎖緊，展開后三塊旁瓣子鏡采用Golay-3形式排列。
[0007]所述定位機(jī)構(gòu)為三點(diǎn)錐面定位支撐框架，所述三點(diǎn)錐面定位支撐框架包括三個(gè)V形定位槽和三個(gè)定位球，所述三個(gè)V形定位槽分別和三個(gè)定位球接觸配合，所述V形定位槽為V形面形式，所述定位球?yàn)榫植壳蛎娼M成的冠狀結(jié)構(gòu)形式，所述三個(gè)V形定位槽銳角排布設(shè)置于所述A形桁架與所述六邊形主鏡室接觸面處。
[0008]所述子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)為多個(gè)壓電促動(dòng)器，所述壓電促動(dòng)器在所述旁瓣子鏡背部多單元三角排列，所述A形桁架通過柔性環(huán)節(jié)與壓電促動(dòng)器進(jìn)行固定連接，壓電促動(dòng)器通過柔性環(huán)節(jié)與旁瓣子鏡鏡體相連。
[0009]所述多個(gè)壓電促動(dòng)器具體指至少3個(gè)。
[0010]所述展開機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、精密展開鉸鏈和展開桿，所述滾珠絲杠豎直設(shè)置在六邊形主鏡室的展開中央側(cè)壁上，所述展開桿的兩端與所述精密展開鉸鏈連接，與所述展開桿連接的兩組精密展開鉸鏈的兩端分別與滾珠絲杠和A形桁架連接，所述步進(jìn)電機(jī)輸出軸與所述滾珠絲杠連接。
[0011]所述鎖緊機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、螺栓組和彈簧機(jī)構(gòu)，電機(jī)與螺栓組中的螺桿通過聯(lián)軸器連接；螺栓組中的螺帽與彈簧機(jī)構(gòu)相連接設(shè)置在A形桁架端面處；電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)入螺帽內(nèi)通過螺桿與螺帽的螺紋配合完成鎖緊功能。
[0012]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡采用旁瓣子鏡展開方式組成大口徑的空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，本發(fā)明提出的主鏡在相同外包絡(luò)情況下與詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡主鏡相比，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)勢，由于當(dāng)前運(yùn)載能力及發(fā)射條件有限，采用展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡與傳統(tǒng)整體式主鏡結(jié)構(gòu)相比，可有效降低望遠(yuǎn)鏡的體積和重量，可降低地面發(fā)射技術(shù)對望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的制約。滿足未來我國在超高分辨力天文觀測、深空探測以及空間態(tài)勢感知【技術(shù)領(lǐng)域】的需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡成像光學(xué)系統(tǒng)三維效果圖；
[0015]圖3為本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡中的定位機(jī)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡中的鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖；
[0017]圖5為本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡中的主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)示意圖；
[0018]圖6本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡中采用的共焦共位相調(diào)整流程圖；
[0019]其中:1、六邊形主鏡室，2、旁瓣子鏡，3、A形桁架，4、步進(jìn)電機(jī)，5、滾珠絲杠，6、精密展開鉸鏈，7、展開桿，8、V形定位槽，9、定位球，10、電機(jī)，11、螺栓組，12、彈簧機(jī)構(gòu)，13、壓電促動(dòng)器。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。
[0021]參見附圖1，本發(fā)明的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡包括六邊形主鏡室I和三組旁瓣子鏡2單元，每組旁瓣子鏡2單元包括旁瓣子鏡2、A形桁架3、展開機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)；
[0022]所述A形桁架3通過定位機(jī)構(gòu)與六邊形主鏡室I配合，三個(gè)所述A形桁架3圓周均布在所述六邊形主鏡室I上，所述旁瓣子鏡2通過子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)置在A形桁架3上，通過展開機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A形桁架3相對六邊形主鏡室I的展開和收攏，通過鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A形桁架3展開后的鎖緊，展開后三塊旁瓣子鏡2采用Golay-3形式排列。
[0023]所述定位機(jī)構(gòu)為三點(diǎn)錐面定位支撐框架，所述三點(diǎn)錐面定位支撐框架包括三個(gè)V形定位槽8和三個(gè)定位球9,所述三個(gè)V形定位槽8分別和三個(gè)定位球9接觸配合,所述V形定位槽8為V形面形式，所述定位球9為局部球面組成的冠狀結(jié)構(gòu)形式，所述三個(gè)V形定位槽8銳角排布設(shè)置于所述A形桁架3與所述六邊形主鏡室I接觸面處。所述V形定位槽8和定位球9配合接觸實(shí)現(xiàn)對整個(gè)定位機(jī)構(gòu)六自由度上的約束，從而達(dá)到精確地定位一致性。
[0024]所述子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)為多個(gè)壓電促動(dòng)器13，所述壓電促動(dòng)器13在所述旁瓣子鏡2背部呈多單元三角排列，所述A形桁架3通過柔性環(huán)節(jié)與壓電促動(dòng)器13進(jìn)行固定連接，壓電促動(dòng)器13通過柔性環(huán)節(jié)與旁瓣子鏡2鏡體相連。
[0025]所述多個(gè)壓電促動(dòng)器13具體指至少3個(gè)。
[0026]所述展開機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)4、滾珠絲杠5、精密展開鉸鏈6和展開桿7，所述滾珠絲杠5豎直設(shè)置在六邊形主鏡室I的展開中央側(cè)壁上，所述展開桿7的兩端與所述精密展開鉸鏈6連接，與所述展開桿7連接的兩組精密展開鉸鏈6的兩端分別與滾珠絲杠5和A形祐1架3連接,所述步進(jìn)電機(jī)4輸出軸與所述滾珠絲杠5連接。
[0027]所述鎖緊機(jī)構(gòu)包括電機(jī)10、螺栓組11和彈簧機(jī)構(gòu)12，電機(jī)與螺栓組11中的螺桿通過聯(lián)軸器連接；螺栓組11中的螺帽與彈簧機(jī)構(gòu)12相連接設(shè)置在A形桁架3端面處；電機(jī)10驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)入螺帽內(nèi)通過螺桿與螺帽的螺紋配合完成鎖緊功能。
[0028]參見附圖2，本發(fā)明中成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三維效果圖，采用折反射式系統(tǒng)，其中主鏡與次鏡采用反射鏡，透鏡組由七塊透鏡組成，主要用于平衡球差和色差，系統(tǒng)工作波段0.5 μ m?0.8 μ m，焦距4000mm，等效口徑(外接圓)500mm,主鏡采用稀疏孔徑布局，三塊子鏡采用Golay-3形式排列，三塊Φ200子鏡展開后120°均布，共同構(gòu)成稀疏口徑Φ500的主鏡，所拼接的主鏡中心為外包絡(luò)為Φ100的通光孔。
[0029]本發(fā)明的工作原理為:子鏡精密展開機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)4驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠5使精密展開鉸鏈6作直線運(yùn)動(dòng)，從而通過展開桿7拉動(dòng)A形桁架3實(shí)現(xiàn)旁瓣子鏡2的展開。參見附圖3，子鏡定位機(jī)構(gòu)采用三點(diǎn)錐面定位支撐框架結(jié)構(gòu)，是由位于一個(gè)結(jié)構(gòu)上的三個(gè)定位球9分別和位于另一個(gè)結(jié)構(gòu)上的三個(gè)V型定位槽8接觸定位組成，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)定位機(jī)構(gòu)六自由度上的約束，從而達(dá)到精確地定位一致性。
[0030]參見附圖4，子鏡鎖緊機(jī)構(gòu)采用電機(jī)+螺栓組11+彈簧機(jī)構(gòu)12的結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)入螺帽內(nèi)通過螺桿與螺栓的配合完成鎖緊功能。
[0031]子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)采用子鏡鏡面背部規(guī)律排列的壓電促動(dòng)器13實(shí)現(xiàn)對旁瓣子鏡2支撐，同時(shí)可進(jìn)行子鏡鏡面精度的調(diào)整。
[0032]參見附圖，5，本發(fā)明采用的主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，主動(dòng)光學(xué)控制系統(tǒng)對旁瓣子鏡2的三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)維度進(jìn)行控制，因此需要三組線性促動(dòng)器實(shí)現(xiàn)此功能，同時(shí)采用Shack-Hartmann傳感器、可變形反射鏡等器件作為最終面型調(diào)整的手段，用于保證主鏡展開后的最終面型質(zhì)量。
[0033]參見附圖6，在主鏡展開后，受到展開機(jī)構(gòu)重復(fù)精度的限制，主鏡一定會(huì)存在較大的像差，不能滿足成像要求，需要啟動(dòng)共焦、共位相調(diào)整流程，使展開的望遠(yuǎn)鏡主鏡可以進(jìn)行成像。具體調(diào)整流程包括以下步驟:
[0034]第一步，子鏡圖像捕獲與識(shí)別。
[0035]子鏡圖像的捕獲與識(shí)別分為兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn):子鏡識(shí)別和像點(diǎn)排列。
[0036]在開始調(diào)整前，主鏡的每個(gè)子鏡分別與次鏡等鏡片構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的“小望遠(yuǎn)鏡”，各自有著像質(zhì)不一、位置隨機(jī)分布的像點(diǎn)。像點(diǎn)是偏離中心主像點(diǎn)的，即展開子鏡對應(yīng)的像點(diǎn)。通過控制每塊子鏡背部的促動(dòng)器，使子鏡偏轉(zhuǎn)一定的角度，通過觀察圖像的變化，可以建立起像點(diǎn)與展開子鏡之間的對應(yīng)關(guān)系。然后是像點(diǎn)排列，根據(jù)子鏡識(shí)別過程中確定的展開子鏡與像點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，將像點(diǎn)按照子鏡的分布形式排列，為后續(xù)的調(diào)整步驟做準(zhǔn)備。
[0037]第二步，全局粗調(diào)整
[0038]經(jīng)過第一步調(diào)整，能夠獲得按照子鏡分布形式排列的展開子鏡的像點(diǎn)，但是像點(diǎn)的成像質(zhì)量比較差，存在較大的像差，并且不在最佳像面上。通過控制展開子鏡背部的促動(dòng)器進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)，獲得幾幀子鏡和次鏡在不同間隔上，光學(xué)系統(tǒng)的圖像，由于次鏡活塞運(yùn)動(dòng)的位移量是已知的，所以可以通過波前傳感算法計(jì)算得到每塊子鏡的姿態(tài)、位置偏差。
[0039]經(jīng)過上述調(diào)整，雖然展開子鏡對應(yīng)的像點(diǎn)質(zhì)量仍然達(dá)不到最理想的效果，但是已經(jīng)明顯優(yōu)于第一步調(diào)整完成時(shí)的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，通過控制每塊子鏡的傾斜，使展開子鏡對應(yīng)的像點(diǎn)堆疊至像面的中心區(qū)域，即可完成第二步的調(diào)整。
[0040]第三步，共位相粗調(diào)整
[0041]通過子鏡間位移傳感器測得子鏡間的活塞誤差，通過控制子鏡背部的促動(dòng)器可以校正子鏡間的的活塞誤差，實(shí)現(xiàn)主鏡的共位相粗調(diào)整。
[0042]第四步，共位相精調(diào)整
[0043]通過引入已知的像差量，如離焦，將引入已知像差量前后的圖像作為輸入，運(yùn)行波前傳感算法，即可得到面型誤差量，控制促動(dòng)器實(shí)現(xiàn)共位相精調(diào)整；
[0044]第五步，波前監(jiān)視與面型保持
[0045]在展開花瓣式系統(tǒng)長時(shí)間工作的過程中，面型仍可能發(fā)生漂移，因此共位相精調(diào)會(huì)按照預(yù)定的時(shí)間間隔重復(fù)進(jìn)行。
【權(quán)利要求】
1.展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，其特征在于，包括六邊形主鏡室(I)和三組旁瓣子鏡(2)單元，每組旁瓣子鏡(2)單元包括旁瓣子鏡(2)、A形桁架(3)、展開機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)； 所述A形桁架(3)通過定位機(jī)構(gòu)與六邊形主鏡室(I)配合，三個(gè)所述A形桁架(3)圓周均布在所述六邊形主鏡室(I)上，所述旁瓣子鏡(2)通過子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)置在A形桁架(3)上，通過展開機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A形桁架(3)相對六邊形主鏡室(I)的展開和收攏，通過鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A形桁架(3)展開后的鎖緊，展開后三塊旁瓣子鏡(2)采用Golay-3形式排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，其特征在于，所述定位機(jī)構(gòu)為三點(diǎn)錐面定位支撐框架，所述三點(diǎn)錐面定位支撐框架包括三個(gè)V形定位槽(8)和三個(gè)定位球(9),所述三個(gè)V形定位槽(8)分別和三個(gè)定位球(9)接觸配合,所述V形定位槽(8)為V形面形式，所述定位球(9)為局部球面組成的冠狀結(jié)構(gòu)形式，所述三個(gè)V形定位槽(8)銳角排布設(shè)置于所述A形桁架(3)與所述六邊形主鏡室(I)接觸面處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，其特征在于，所述子鏡支撐及鏡面調(diào)整機(jī)構(gòu)為多個(gè)壓電促動(dòng)器(13)，所述壓電促動(dòng)器(13)在所述旁瓣子鏡(2)背部呈多單元三角排列，所述A形桁架(3)通過柔性環(huán)節(jié)與壓電促動(dòng)器(13)進(jìn)行固定連接，壓電促動(dòng)器(13)通過柔性環(huán)節(jié)與旁瓣子鏡(2)鏡體相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，其特征在于，所述多個(gè)壓電促動(dòng)器(13)具體指至少3個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，其特征在于，所述展開機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)(4)、滾珠絲杠(5)、精密展開鉸鏈(6)和展開桿(7)，所述滾珠絲杠(5)豎直設(shè)置在六邊形主鏡室(I)的展開中央側(cè)壁上，所述展開桿(7)的兩端與所述精密展開鉸鏈(6)連接，與所述展開桿(7)連接的兩組精密展開鉸鏈￠)的兩端分別與滾珠絲杠(5)和A形祐1架(3)連接,所述步進(jìn)電機(jī)(4)輸出軸與所述滾珠絲杠(5)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的展開花瓣式空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，其特征在于，所述鎖緊機(jī)構(gòu)包括電機(jī)(10)、螺栓組(11)和彈簧機(jī)構(gòu)(12)，電機(jī)與螺栓組(11)中的螺桿通過聯(lián)軸器連接；螺栓組(11)中的螺帽與彈簧機(jī)構(gòu)(12)相連接設(shè)置在A形桁架(3)端面處；電機(jī)(10)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)入螺帽內(nèi)通過螺桿與螺帽的螺紋配合完成鎖緊功能。
【文檔編號(hào)】G02B23/16GK104317044SQ201410591620
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】王剛, 王磊, 許博謙, 于夫男, 齊荔荔, 武國梁 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所