[發明專利]一種用于空間光學載荷地面重力卸載的浮動支撐裝置

有效

• 申請號: 201811057137.5
• 申請日: 2018-09-11
• 公開（公告）號: CN109188648B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 何煦;楊雪;張曉輝;董吉洪
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G02B7/183
• 分類號: G02B7/183
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 曹衛良

本發明涉及精密機械和空間光學技術領域，具體公開一種空間光學載荷地面重力卸載的浮動支撐機構，包括卸載基座、設置在卸載基座上的若干組重力卸載裝置、重力卸載裝置固定設置在光學載荷的下方；浮動支撐裝置還包括設置在光學載荷背部的若干組固定支撐裝置，通過重力卸載裝置，可以實現沿重力矢量方向的重力卸載，從而抵消大型光機結構由重力引入的最大變形，大幅緩解天?地力學環境不一致對空間光學載荷地面裝調精度和在軌成像質量的影響，為地面高敏感光學組件預裝調和主動光學校正提供基礎像質。此外，通過地面重力卸載，還可大幅減小大口徑光學載荷光機結構的不必要設計冗余，降低發射成本和空間運載工具的使用效率。

技術領域

本發明涉及精密機械和空間光學技術領域，特別涉及一種大口徑空間光學載荷地面重力卸載的浮動支撐機構。

背景技術

空間光學望遠鏡是指搭載于衛星平臺之上，用于對宇宙中各類天文現象成像和測量，或對地面景物目標進行推掃或凝視觀測的一類空間光學載荷。例如人們熟知的哈勃望遠鏡、WordView對地觀測衛星上均搭載此類空間光學望遠鏡，用于對各類天文現象或地面景物光目標學成像。各類空間光學載荷最終均工作于太空微重力環境，但光學載荷的裝調與試驗均是在地面進行的，重力將伴隨整個裝調試驗過程。這就導致空間光學載荷裝調、測試過程的力學環境與實際在軌狀態力學環境不一致。而上述“天-地”力學環境不一致將對空間光學載荷主要光學性能實現并保持長期穩定性帶來極大風險。主要原因在于，空間光學望遠鏡的主要性能在于其光學成像質量。而成像質量的保證一方面取決于光學設計殘差，以及光學制造和加工的精度。另一方面則由地面裝調精度，以及光機系統的結構穩定性決定。裝調過程是以某種像質評價標準為準則和指針，指導裝調人員將望遠鏡中各光學元件調校至光學設計給定的空間位置和姿態，并保證裝調殘差小于所分配的閾值。而光機結構和熱控系統則需要保證上述裝調結果具有長期穩定性，使空間光學載荷整個工作壽命內均具有設計性能。但地面裝調過程中，重力均始終作用于光機載荷內的每一光學元件、支撐桁架、儀器模塊等。導致光機組件位置和姿態額調整定位均在重力引起的微量彈性變形下實現。而在軌重力釋放后，必將導致彈性變形恢復、裝配應力釋放，進而導致各光機組、部件相對位置和姿態改變，使得空間光學載荷的成像質量產生較大變化。

對于中、小口徑的空間光學載荷，上述“天-地”力學環境不一致引起空間光學載荷主要光學性能惡化的風險尚不顯著。對于中小口徑光學載荷，其必要的光機結構重量和體積要求不高。在發射運載總質量一定的前提下，可以通過加大設計冗余提高光機系統結構剛度，使光機組件具備較強的抵抗重力變形能力，確保重力作用下與在軌零重力條件下，光機結構“回彈”引入的光學元件相對位恣變化量較小，不至于改變系統成像質量。

為了提高觀測分辨率和探測深度、獲得目標空間形貌特征的更多細節，空間光學望遠鏡的口徑越來越大，并必須同時具備更長的焦距。為確保在軌環境下的成像質量以及光學載荷主要性能長期在軌穩定性，導致必要結構重量體積不斷攀升。但大口徑空間望遠鏡及其衛星平臺均需搭載于火箭或航天飛機等運載工具才可發射入軌，而上述運載工具的運載能力有限。若依然基于目前通過加大設計冗余提高結構剛度，以克服“天-地”力學環境不一致性的傳統思路，必然導致光學載荷的總質量超過航天器極限運載能力，并且造成不必要的發射成本。而相應的解決思路就是通過在地面裝調、測試過程中模擬與光學載荷在軌狀態類似的力學環境，以達到緩解上述“天-地”力學環境不一致性的效果。但現有的試驗技術和支撐方法難以滿足大口徑空間光學載荷的上述力學環境模擬需求，并且無法準確判定重力卸載后光機組件是否裝調到位，主要原因如下。

(1)現有重力卸載方法主要包含全卸載和部分卸載兩種主要思路。全卸載思路大多采用“落塔法”、“飛機拋物線飛行法”等實現方式，以模擬搭載物各維度全向失重。但大口徑空間光學載荷的裝調、測試周期較長，期間還需穿插各類驗證試驗，并且還需要大量體積、重量均較大的光學測試和輔助裝調設備。因此現有的全向失重模擬方法難以滿足大口徑空間光學載荷裝調、試驗過程中的重力卸載需求。