李志來 楊利偉 徐宏 董得義 曹乃亮 袁野

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

空間望遠鏡可展開次鏡支撐桁架綜述

李志來 楊利偉 徐宏 董得義 曹乃亮 袁野

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

為了獲取更高的分辨率，空間望遠鏡系統(tǒng)的尺寸變得越來越大，以至于這些光學儀器無法裝入現(xiàn)存運載器的內(nèi)包絡。采用可展開結構或分瓣式光學元件是克服內(nèi)包絡限制的一種有效手段，目前，國際上許多航天型號任務正積極采用這樣的設計方案。與傳統(tǒng)光學系統(tǒng)不同的是，可展開光學系統(tǒng)將依賴于展開機構的重復性和可靠性，以及多光學元件的主動共相來滿足光學系統(tǒng)的成像需求?？烧归_次鏡支撐桁架是可展開光學系統(tǒng)的重要組成部分，其展開精度直接影響光學系統(tǒng)的性能。為了了解該類展開機構的發(fā)展現(xiàn)狀，文章對可展開望遠鏡系統(tǒng)進行了充分的調(diào)研與分析，從結構形式、展開機構、驅(qū)動方式等角度討論了幾種典型的可展開次鏡支撐桁架的特點，并對其中的關鍵技術，如鉸鏈的非線性特性抑制技術、高重復性和穩(wěn)定性在軌展開鎖定技術及地面重力卸載技術等進行了分析與總結。最后歸納了可展開次鏡支撐桁架的一些設計原則。

可展開次鏡支撐桁架 關鍵技術 設計原則 空間望遠鏡 航天遙感

Key wordsDeployable secondary mirror support truss; Key technology; Design principles; Space telescope; Space remote sensing

0 引言

為實現(xiàn)高分辨率成像，空間望遠鏡需要極大的口徑與極長的焦距，例如NASA在研項目詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Web Space Telescope，JWST），其有效口徑就達到了6.5m。未來的空間望遠鏡項目需要更大的口徑與更長的焦距，這對于火箭的運載能力（包括尺寸、質(zhì)量等）來說將是一個極大的挑戰(zhàn)。雖然各國正在設計更大的運載器整流罩，將放寬一些對光學系統(tǒng)口徑的限制，但是在許多方面仍然無法滿足空間任務的需求。而空間可展開光學系統(tǒng)可以有效解決日益增長的望遠鏡口徑與焦距同運載火箭外包絡尺寸的矛盾，使研制更大口徑（大于3m）、更高空間分辨能力的光學望遠系統(tǒng)成為可能[1-2]。

次鏡是光學系統(tǒng)的關鍵部件，其面形及位置精度直接影響光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。而可展開次鏡支撐桁架是光機結構中的關鍵部件，其尺寸精度及穩(wěn)定性直接影響次鏡的位置精度。超大空間望遠鏡焦距一般比較長，與運載器長度方向的包絡尺寸相比，主次鏡間隔過大，無法滿足運載條件的要求，需對其進行三維空間內(nèi)的立體折疊和展開。如何選擇合理的折疊機構，并保證折疊組合體空間展開后的位置精度及穩(wěn)定性，是超大口徑空間望遠鏡研制的關鍵技術。

本文對可展開次鏡支撐桁架的發(fā)展狀態(tài)進行了概述，從不同角度討論幾種典型的可展開次鏡支撐桁架的特點，分析與總結了其中的關鍵技術，并給出了一些設計原則。

1 空間望遠鏡可展開次鏡支撐桁架概況

次鏡支撐桁架按照結構形式分類，可分為三角架、六角架、次鏡塔等；按照展開機構的形式分類，可分為連桿式、套筒式、機械臂式等；按照驅(qū)動方式分類，又可分為電機驅(qū)動，應變能驅(qū)動、混合驅(qū)動等。不同的結構形式具有不同的力學特性，而不同的展開機構又具有不同的運動學特性，其各自的優(yōu)缺點也不盡相同。

1.1 JWST可展開次鏡

JWST是 NASA主導的新一代空間望遠鏡系統(tǒng)。它的次鏡支撐結構（Secondary Mirror Support Structure，SMSS）被設計成一個可展開的三腳支架形式，如圖1所示。由于該支撐結構屬于靜定結構，因此具有優(yōu)越的動力學穩(wěn)定性和較輕的質(zhì)量。整個展開系統(tǒng)是通過步進電機驅(qū)動四連桿機構來實現(xiàn)的。次鏡支撐結構使用了極低熱膨脹系數(shù)的復合材料，以避免次鏡離焦導致的波前誤差。發(fā)射時，次鏡支撐桁架折疊起來，固定在光學基座上；入軌后，鎖定機構解鎖，電機驅(qū)動整個支架展開；完全展開后，中間鉸鏈鎖定，形成一個剛性桿；整個展開過程如圖2所示。為了保證可展開次鏡支撐桁架在鎖定狀態(tài)下不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，研制人員設計和加工了一套鉸鏈和鎖定機構，并用高分辨率距離測試設備對其進行了測試。測試結果表明：被測件在承受了300倍的預期運行載荷后，并沒有出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象[3-6]。

與之類似的一個設計方案是 ATLAST-9.2m空間望遠鏡的可展開次鏡支撐桁架。該望遠鏡由美國空間望遠鏡科學研究所（Space Telescope Science Institute）提出，用于觀測紫外線、可見光和近紅外。它的次鏡組件可展開結構的形式與JWST幾乎完全一致。其折疊和展開狀態(tài)如圖3所示[7-8]。

1.2 國際X射線觀測站（International X-ray Observatory，IXO)可展開次鏡

IXO是歐空局2015—2025計劃中規(guī)劃的一個超大口徑望遠鏡項目，并與美國NASA和日本JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）進行合作研制開發(fā)，該望遠鏡需要將主結構長度方向從8m展開到至少20m。2010年左右，可展開次鏡支撐桁架有兩種傾向性設計方案，一種為三機械臂展開機構，由三組相互獨立的機械臂組成，如圖4（a）所示。發(fā)射時，機械臂成折疊狀態(tài)，入軌后，三組機械臂在電機的驅(qū)動下各自展開；另一種為張拉整體展開結構（也稱張拉整體伸展臂，根據(jù)連續(xù)張拉，不連續(xù)受壓的原理研制而成），主要由兩個伸縮套筒和若干條張緊線組成，如圖4（b）所示；在伸縮套筒展開過程中，張緊線不對伸縮套筒施加載荷，一旦伸縮套筒完全展開并鎖定，張緊線在促動器的作用下張緊，使整個結構成為一個堅固、穩(wěn)定的整體[9-12]。

1.3 可展開光學望遠鏡（Deployable Optical Telescope，DOT）次鏡

DOT系統(tǒng)是美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）于2000年左右主導的空間望遠鏡系統(tǒng)，它的可展開次鏡支撐桁架采用的是套筒式次鏡塔結構。該結構被粘接在總體結構的中心，它的折疊狀態(tài)長度為2.25m，展開狀態(tài)長度為3.74m，有效折疊長度約為1.5m。次鏡組件安裝了六自由度平臺，用于實現(xiàn)次鏡塔展開后的次鏡定位。整個次鏡塔結構如圖5所示。其展開機構包括固定套筒、滑動套筒、驅(qū)動機構、鎖定機構，滑動套筒的展開依靠驅(qū)動電機、繩索、滑套來實現(xiàn)[13-14]。

1.4 類地行星發(fā)現(xiàn)者（Terrestrial Planet Finder，TPF）可展開次鏡

TPF是NASA于2003年至2011年間主導的一個望遠鏡系統(tǒng)，用于探測地外行星。其概念設計如圖6所示。該望遠鏡采用了離軸式光學系統(tǒng)，主次鏡間隔為10m量級，主鏡位于飛行器設備支撐面板上，次鏡安裝在可展開次鏡塔的頂端?？烧归_次鏡塔采用的是機械臂式展開機構，有三個折疊鉸鏈，鉸鏈軸線彼此正交，可實現(xiàn)次鏡塔的三維折疊，其折疊與展開狀態(tài)如圖7所示。次鏡擁有一個六自由度調(diào)整機構，用于實現(xiàn)展開后的次鏡位置調(diào)整[15-18]。

1.5 細孔徑光線收集器（Thin Aperture Light Collector，TALC）可展開次鏡

TALC是一個法國和英國于2014年主導的20m口徑的空間觀測站項目。該項目試圖探索一些非常規(guī)的光學望遠鏡解決方案。它的主鏡采用堆棧式折疊方案（如圖8所示），而次鏡和焦平面組件作為一個模塊安裝在可展開主軸的頂端。該主軸包含兩種展開機構：一種是伸縮套筒機構，另一種是機械臂機構，如圖9所示[19-20]。

1.6 其他設計方案

2004 年左右，美國約翰斯?霍普金斯大學的 Bradley G. Boone等人研究了一種能應用于大口徑（m級）望遠鏡（Large Aperture (meter-class) Optical Telescopes，LAOT）的可展開次鏡支撐桁架。與其他采用電機驅(qū)動的展開結構不同，該展開結構利用了材料的應變能進行驅(qū)動。研究團隊設計了基于施密特-卡塞格林系統(tǒng)的望遠鏡樣機結構并進行試驗，主鏡口徑355.6mm，主次鏡間隔654mm，次鏡通過四根帶狀彈簧連接，每根帶狀彈簧長635mm、寬22.7mm、厚0.2mm，結構如圖10所示。試驗時，利用布置在主鏡周圍的四個激光器射出的光束測量主次鏡間的對準情況，并利用促動器進行準靜態(tài)偏移校正和動態(tài)運動補償[21]。

2010 年左右，NASA與圣何塞州立大學、美國黑人工程師協(xié)會等幾家研究機構開展了一個名為可折疊多布森空間望遠鏡（Collapsible Dobson Space Telescope，CDST）的研究計劃，該計劃的目的是確定一個直徑為150～200mm、用于地球觀測的空間望遠鏡的可行性。該望遠鏡位于一個質(zhì)量只有10kg的微小衛(wèi)星平臺上，發(fā)射時處于折疊狀態(tài)，入軌后展開。通過對幾種展開結構進行對比，一種應變能展開方案最終被研究人員采納，其結構形式如圖11所示，這種結構形式的展開/折疊比可達6.76。次鏡處設有微位移調(diào)整裝置，可以補償由于展開誤差及熱變形引起的次鏡失調(diào)量[22]。

2004年左右，意大利那不勒斯第二大學的 Roberto Gardi等人基于MITAR（Micro Telescope，High Resolution）項目，研究了一種能夠應用在微小衛(wèi)星平臺上，并能在400km高度獲得1 m分辨率的新型可展開望遠鏡。研究人員提出了一種可展開八邊形桁架結構，可實現(xiàn)次鏡的展開。該結構主要由多個八邊形剛體單元組成，剛體單元之間串聯(lián)，相鄰的剛體單元由八根帶狀彈簧進行連接，每根帶狀彈簧由兩根相同的彈簧利用粘彈性聚合物膠粘而成。另外為了克服帶狀彈簧邊緣與八邊形剛體單元之間初始摩擦力以實現(xiàn)自行展開，結構中引入了扭轉彈簧。圖12所示為展開結構的原理樣機[23]。

2 方案對比

從結構復雜性、收攏率、展開精度、展開剛度、承載能力、可靠性等方面對各種方案的優(yōu)缺點進行了討論，結果見表1。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，JWST的三角架結構+四連桿展開機構具有結構簡單、展開精度高、可靠性高等優(yōu)點，是比較理想的方案。

表1 幾種可展開次鏡支撐桁架方案對比Tab.1 Comparison among a few types of deployable secondary mirror support trusses

3 關鍵技術分析

傳統(tǒng)的空間望遠鏡結構屬于光機結構的范疇，涉及到靜力學、運動學、熱學、材料學等學科，需根據(jù)光機結構的設計準則對光學元件的運動學支撐結構及定位裝置進行設計。空間可展開機構屬于空間機構的范疇，涉及到運動學、摩擦學、材料學、電子學等學科，需根據(jù)空間機構的設計準則對定位精度要求不高的展開機構進行設計。而空間望遠鏡可展開機構既屬于光機結構的范疇，又屬于空間機構的范疇，因此在進行結構設計時，需同時考慮光機結構及空間機構的設計準則。兩大應用領域的結合給可展開望遠鏡的結構設計帶來了諸多困難，需突破一些關鍵技術，才能使空間望遠鏡可展開機構既滿足空間可展開機構的要求，又滿足光學系統(tǒng)的要求[24]。可展開望遠鏡結構包括可展開主鏡、可展開次鏡支撐桁架等。本文對可展開次鏡支撐桁架的關鍵技術進行了歸納總結，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1 鉸鏈的非線性特性抑制技術

傳統(tǒng)的鉸鏈會呈現(xiàn)出一定的非線性特性，例如空行程、變剛度及滯后性等[25-27]。這些非線性特性的存在，不僅給航天器機構的運動帶來許多不確定度，而且會使運動精度及定位精度降低。當這些鉸鏈用于定位精度要求很高的望遠鏡展開機構時，這些非線性特性帶來的負面影響更加明顯。而這種非線性特性是很難用仿真分析軟件進行分析的。因此，在次鏡展開機構設計中，需采取適當?shù)拇胧种七@些非線性特性，提高展開機構的定位精度。

3.2 高重復性和穩(wěn)定性在軌展開鎖定技術

為滿足光學系統(tǒng)對反射鏡位置精度提出的要求，傳統(tǒng)望遠鏡與可展開望遠鏡采用的是不同的解決方案。前者依靠低密度、高模量的材料設計出高比剛度反射鏡及支撐結構來滿足光學系統(tǒng)提出的要求，而后者依靠的是展開鎖定機構的重復性和穩(wěn)定性，以及多光學表面的共相。例如，某些光學元件重復定位精度必須在1mm范圍內(nèi)，而在望遠鏡長期的運行過程中，光學元件的位置精度必須穩(wěn)定在20nm以內(nèi)[28-29]。這些重復定位精度及穩(wěn)定性要求對展開機構的在軌展開鎖定提出了更高的要求。傳統(tǒng)的展開鎖定方案主要有兩種：被動式鎖定機構和主動式鎖定機構。被動式鎖定機構是指利用彈簧等具有應變能的元件實現(xiàn)壓緊鎖定的機構，它具有結構簡單、可靠性高等優(yōu)點，但重復性及穩(wěn)定性略低。主動式鎖定機構是指利用電機驅(qū)動實現(xiàn)壓緊鎖定的機構，具有重復性及穩(wěn)定性高的優(yōu)點，但結構復雜，可靠性比被動式略低。如何在保證展開鎖定機構高重復性和穩(wěn)定性的同時，又能實現(xiàn)高可靠性，是可展開次鏡支撐桁架研究中的難點和重點所在。

3.3 地面重力卸載技術

空間可展開結構通常剛度較低，有時甚至無法支撐它們的自重，在地面進行折疊與展開實驗的過程中，需要采取相應的重力卸載措施。重力卸載技術是一個長期困擾人們的難題。傳統(tǒng)的解決方案有兩種：氦氣球卸載方法和機械式配重卸載方法。例如，配重卸載方法是將一個可以在水平面內(nèi)移動的小車放置在載荷的上方，通過繩索與載荷連接，當載荷展開時，小車用來卸載載荷的重量。很多情況下，是載荷拉著小車前進，而不是載荷與小車同時前進。這種方法不僅人為地限制了垂直方向的自由度，而且會對載荷施加側向的拉力[30]。當展開結構為望遠鏡光機結構時，光學系統(tǒng)對展開精度的嚴格要求又是對傳統(tǒng)重力卸載方案的一個挑戰(zhàn)。因此，如何開展重力卸載試驗，既能使望遠鏡可展開結構的重力得到完全的卸載，又能使重復定位精度滿足設計要求，是可展開次鏡支撐桁架研制過程中的關鍵技術之一。

4 可展開次鏡支撐桁架設計原則

通過對目前國外可展開次鏡支撐桁架發(fā)展現(xiàn)狀的討論，結合對其關鍵技術的分析，可展開次鏡支撐桁架設計原則主要體現(xiàn)在以下幾個方面[24,27,31-32]：

1）首先應判斷展開運動的可行性，在保證可行性的前提下，盡可能采用簡單的運動形式實現(xiàn)展開，并進行模擬仿真進行驗證；

2）保證驅(qū)動力的裕度。一般情況下，驅(qū)動力與展開阻力之比不小于200%，在質(zhì)量和體積允許的情況下，應考慮設置驅(qū)動機構的備份；

3）設置次鏡微位移調(diào)整機構。由于展開機構的重復定位誤差及熱變形等原因，在軌展開后，次鏡相對于主鏡的位置可能會發(fā)生變化，設置微位移調(diào)整機構，可以補償由于上述原因?qū)е碌拇午R失調(diào)量；

4）展開機構在飛行階段應可靠鎖緊，保證鎖緊剛度，同時應處理好鎖緊與釋放的矛盾，確保在可靠鎖緊的情況下，能夠可靠釋放；

5）對鉸鏈中的軸承施加預載荷，以減小軸承間隙，提高軸承的支撐剛度及運動精度；

6）為了使滯后效應及相關不穩(wěn)定性最小，可展開次鏡支撐桁架應盡可能采用靜定的支撐結構；

7）次鏡桁架桿應選用高模量、低線脹的空間結構材料，以提高可展開次鏡支撐桁架的整體剛度及尺寸穩(wěn)定性，減小外部振源擾動及溫度變化對次鏡的影響。

5 結束語

未來的空間望遠鏡系統(tǒng)必將向著更大口徑、更長焦距的方向發(fā)展，來滿足空間科學與工程任務的需要。運載火箭的整流罩尺寸限制了空間望遠鏡系統(tǒng)發(fā)射時的尺寸，因此，需研究具有高展開精度、高展開剛度及高可靠性的可展開機構，以滿足未來更大口徑空間望遠鏡的使用需求。空間望遠鏡的展開機構既屬于光機結構領域，又屬于空間機構領域，兩大應用領域的結合給可展開望遠鏡的結構設計帶來了諸多困難，需突破一些關鍵技術，才能使空間望遠鏡可展開機構滿足使用要求，因此在進行可展開次鏡支撐桁架設計時應同時考慮這兩個領域的設計準則。

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Overview of Deployable Secondary Mirror Support Truss for Space Telescope

LI Zhilai YANG Liwei XU Hong DONG Deyi CAO Nailiang YUAN Ye
（Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China）

In the quest for higher resolution, the size of space telescope systems has increased to a point where these instruments no longer fit within the fairing of existing launch vehicles. Using deployable or segmented optics is one way to overcome these envelope limitations and such a design scheme is now adopted by a number of space missions across the world. Unlike conventional optical systems, deployable optical systems rely upon the repeatability and the reliability of the deployment mechanisms, as well as active phasing of various optical components to meet those requirements. Deployable secondary mirror support trusses are critical parts of optical system, whose precision define optical performance. For the purpose of understanding the development status of the deployable secondary mirror support trusses, an overall investigation and analysis for deployable optical telescope is done. Some typical deployable secondary mirror support trusses are discussed in terms of structure types, deployment mechanisms and driving methods, and key technologies among them are analyzed and summarized, such as suppression technology for nonlinear behavior of hinges, high-precision latch for in-orbit deployment and ground gravity-offloading technology. In the end, some design principles for deployable secondary mirror support trusses are summarized.

V447; V423.6

A

1009-8518(2017)03-0058-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.007

李志來，男，1965年生，1986年獲吉林工學院學士學位，研究員。研究方向為空間光學遙感器結構技術及精密機械研究。E-mail：lizl2004@sohu.com。

（編輯：龐冰）

2016-12-19

國家重點研發(fā)計劃（No. 2016YFB0500100）