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空间光学遥感器主反射镜支撑结构综述 李宗轩1，2 （1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 吉林 130031 2.中国科学院研究生院，北京,100039） 摘要：空间光学遥感器正向着高地面分辨率，宽覆盖面积，高光谱分辨率和宽光谱带宽的方向发展。光学系统的主反射镜是整个系统至关重要的环节，直接影响成像质量。现代的高分辨率空间相机其主反射镜直径一般大于500mm，对自重、空间力学环境和温度影响更加敏感。其支撑结构的设计就尤为重要。文章简要分析了主反射镜支撑系统的特殊技术要求，针对这些要求，介绍了几种国内外主镜的支撑结构形式，并讨论了支撑结构设计设计中要注意的几个问题。最后介绍了空间光学遥感器主镜支撑技术的几个发展方向。 关键词：空间光学遥感器；主反射镜；支撑结构；热补偿 1 引言 现代空间光学遥感器地面覆盖面积越来越大，地面分辨率越来越高，长焦距、大视场、和大通光口径已经成为其发展的必然趋势。随着遥感器口径的增大，尤其是光学系统尺寸的增大，带来了许多技术问题，主要表现为空间遥感器的精度、稳定性以及质量等与其应用需求之间的矛盾。 反射镜是反射式光学系统的关键部件，其面形精度要求非常高，通常面形误差要求在可见光波长量级及以上，不超过100nm。反射镜支撑系统直接影响着反射镜保持面形精度的能力，其成为大口径反射镜工程应用中的最关键技术之一。 随着光学系统主反射镜直径的不断增大，使得反射镜面形受自重力和温度梯度的影响尤为突出。为了更好地满足大口径光学系统的高性能要求，必须对其主反射镜其进行轻量化设计，以减轻自重变形的影响。主镜在轻量化以后，随着轻量化率的增加，虽然比刚度在提高，但其结构绝对刚度却在下降，因此镜面对支撑应力的敏感度也在迅速增大。同时，空间环境温度的改变也易通过支撑结构引起反射镜的面形变化。进入空间近地轨道以后，在地面已达到工程使用要求的主镜由于自重的消失和复杂的外界温度的变化，镜面面形也易发生变化，偏离设计和加工的要求，直接影响空间相机的成像质量。此外，火箭发射时的恶劣力学环境也会影响反射镜的支撑结构。空间光学上通常把口径大于等于500mm的反射镜定义为大口径反射镜，大口径反射镜受重力和温度的影响更加突出。因此，必须针对地面和在轨工作条件的差异，设计出合理的轻量化主镜的支撑系统，尽量减少主镜自重和温度变化对镜面变形的影响。 目前有关主镜的设计研究工作也在不断地深入，涌现出了许多新技术，如大尺寸光学元件的主动光学技术、自适应光学技术、超薄镜的支撑技术等。口径为1m以下的主镜通常是采用传统的支撑方法。但对大于500mm的主镜一般采用轻量化技术，并提高其综合性能。 综上，反射镜的支撑系统是在对反射镜进行有效定位的同时释放它的自重，并且减小热应力对反射镜的影响以达到减小镜面变形的目的。在这种支撑力的传递过程中，应尽量避免较大集中应力的产生，使力尽量均匀地传递，最终达到使反射镜的镜面变形最小，成像质量最好的目的。 2 支撑结构设计的技术要求 支撑结构是连接主镜和相机框架结构的过渡环节，综合上述问题，对空间相机主镜支撑系统提出以下要求： 1）高静态结构刚度。 空间光学遥感器中的各个部件、仪器是在地面1g重力条件下加工制造并装配调试的。当遥感器进入太空轨道时，处于微重力状态，重力释放将会导致部件。仪器发生变形。主镜的支撑系统必须要有较高的静态结构刚度，适应在地面和太空中不同力学环境的差异。 2）良好的动态结构性能。 遥感器在制造、装配、检验完毕后，要运输至发射场站，并由运载火箭发射至预定轨道。在这期间都要经历振动、冲击等恶劣的动力学作用。保证遥感器的动力学特性，不会在入轨工作前发生破坏，就要求固有振动频率、联接强度等指标满足条件。主镜由支撑系统连接到相机主体，对动力学特性有重要影响。 3）高热稳定性。 空间光学遥感器在轨工作时，其外热流变化周期短，温度变化范围大，导致整个光学系统的温度梯度变化很大。一方面采取各种隔热、热均匀、加热、冷却等主被动热控措施，减小镜体在水平上的温度变化，降低温度梯度。另一方面支撑结构设计要尽可能屏蔽温度对反射镜变形的影响。 4）支撑结构材料的热匹配性。 一般金属材料的线胀系数与常用的主镜材料相差数倍，当光学系统冷却时，各种材料的收缩不同，在支撑面上产生的应力和弯矩将作用在反射镜上，使反射镜内产生应力和变形，甚至炸裂。因此与主镜直接接触的支撑材料的线胀系数应与镜体材料的线胀系数良好匹配，支撑材料本身也应具有优良的稳定性。下表为常用材料的线胀系数： 表格 1 常用材料线胀系数 常用材料的线胀系数α(10^-6/℃) 材料名称 K9玻璃 SiC 不锈钢 钛 殷钢 铜 线胀系数 6.6 2.5 16.0 10.8 2.5 16.5 由表1可以看出，殷钢的线胀系数与现在流行的主镜材料SiC的线胀系数十