技术领域
[0001] 本
发明涉及一种低温镜头消热
应力支撑结构形式，应用于光学遥感领域工作于深低温的低温
铝镜头的支撑。
背景技术
[0002] 在光学遥感领域，当镜头支撑结构材料与镜头材料
热膨胀系数不匹配时，
温度变化产生的
热应力会造成镜头成像
质量的劣化。为了解决这个问题，镜头支撑通常需要采用消热应力结构。通常采用的解决方案是镜头支撑采用柔性
铰链结构形式，柔性铰链依靠柔性元素的
变形来传输运动和力，其具体结构由中间弹性变形单元连接两个刚体而成，通过中间单元弹性变形实现两刚体相对运动。当反射镜或镜头支撑由于温度变化产生膨胀或收缩时，柔性铰链受力作用而变形，当柔性铰链的
刚度合适时，其变形会吸收大部分的变形
能量，从而消除热应力。光学精密工程期刊收录的论文《空间光学遥感器反射镜柔性支撑的设计》，描述了上述一种柔性铰链结构形式。这种柔性铰链在设计时需要找到合理的结构形式，即满足消热应力要求，同时又能够满足动刚度要求，并且在大温差时，需要大幅增加柔性铰链柔度，这导致很难兼顾结构的动刚度要求，无法满足运输工具及发射时的基频要求。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服
现有技术的上述不足，利用低温铝镜头常温装调、低温工作的特点，设计一种消热应力支撑结构，能够在常温下采用较大的压紧力实现镜头夹紧固定，在低温工作时，利用热膨胀产生的变形差实现压紧力的释放，从而使低温铝镜头能够自由收缩，消除热应力，在实现低温镜头
工作温度下消热应力的同时，又能兼顾非工作时的动刚度要求。
[0004] 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
[0005] 一种低温镜头压紧释放型消热应力支撑结构，包括：轴向消应力压紧结构(1)、压紧螺钉(2)、镜头安装
法兰(3)、径向
定位柱压盖(4)、径向定位柱(5)、承力结构(6)；
[0006] 轴向消应力压紧结构(1),为内侧有圆环形凸台的一段圆环，凸台位于圆环端面的一侧，在凸台侧面开有两组矩形通槽，每组矩形通槽包括一排多个矩形通槽，两组矩形通槽平行且交错排列；圆环上开有多个安装孔；
[0007] 径向定位柱(5)，为圆柱形且在圆柱的侧面上切相同的槽；
[0008] 承力结构(6)，为中空圆柱形结构，内壁有凸起，
侧壁有多组安装径向定位柱(5)的通孔和径向定位柱压盖(4)的安装孔；
[0009] 镜头安装法兰(3)的一侧开有多个缺口，多个缺口均匀分布，镜头安装法兰(3)有缺口的一侧伸入承力结构(6)内，并与承力结构(6)的凸起配合；
[0010] 镜头安装法兰(3)的多个缺口和承力结构(6)侧壁的多组安装径向定位柱(5)的通孔和径向定位柱压盖(4)的安装孔相对；
[0011] 轴向消应力压紧结构(1)的圆环通过压紧螺钉(2)固定在承力结构(6)的一个端面上，轴向消应力压紧结构(1)的凸台与镜头安装法兰(3)的一侧贴合，镜头安装法兰(3)的另一侧与承力结构(6)的凸起配合；
[0012] 镜头安装法兰(3)的外径小于承力结构(6)的内径；
[0013] 压紧螺钉(2)，将轴向消应力压紧结构(1)以一定的预紧力固定在承力结构(6)上；同时压紧螺钉(2)产生的压紧力将镜头安装法兰(3)压紧在承力结构(6)上；
[0014] 镜头安装法兰(3)，为需要被支撑的镜筒外侧的圆环形法兰；
[0015] 多个径向定位柱(5)通过承力结构(6)侧壁的多组安装径向定位柱(5)的通孔伸入承力结构(6)内，并和镜头安装法兰(3)的多个缺口配合；
[0016] 径向定位柱压盖(4),通过螺钉将径向定位柱(5)压紧在承力结构(6)的侧壁上；
[0017] 径向定位柱(5)，被径向定位柱压盖(4)压紧在镜头安装法兰(3)的缺口中，径向定位柱(5)在镜头安装法兰(3)的圆周径向均布。
[0018] 当从常温降温到低温，镜头安装法兰(3)的径向尺寸减小时，径向定位柱(5)能始终顶在镜头安装法兰(3)上，并施加相同的力，起到径向定位的功能。
[0019] 承力结构(6)，用于提供轴向消应力压紧结构(1)和镜头安装法兰(3)的安装靠面，使低温铝镜头通过镜头安装法兰(3)能够被固定在承力结构(6)上。
[0020] 轴向消应力压紧结构(1)的凸台上的通槽使凸台具有一定的柔性，使凸台在压紧螺钉(2)施加的压紧力下产生的压缩变形量与轴向变形差相适应，该轴向变形差由不同
热膨胀系数的轴向消应力压紧结构(1)与镜头安装法兰(3)从常温降温到低温工作温度时产生。
[0021] 镜头安装法兰(3)的材料为铝
合金5A06。
[0022] 轴向消应力压紧结构(1)、径向定位柱压盖(4)、径向定位柱(5)、承力结构(6)的材料为
钛合金TC4。
[0023] 径向定位柱(5)，为圆柱形且在圆柱的侧面上切相同的槽，通过在圆柱的侧面上切槽的方式使径向定位柱(5)在轴向具有一定的柔性。
[0024] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0025] (1)本发明与现有的采用柔性铰链形式的消热应力结构形式相比，采用常温下压紧、低温下释放的结构形式，在实现工作温度下消热应力的同时，能够兼顾运输、发射等非工作时的动刚度要求。
[0026] (2)本发明与现有的采用柔性铰链形式的消热应力结构形式相比，避免了在应用于大温差结构消热应力时，对柔性铰链要求柔度过大，很难设计出满足要求的柔性铰链或柔性铰链因柔度过大稳定度降低的问题，解决了具有大温差的工作于深低温的低温镜头结构消热应力支撑难题；
[0027] (3)本发明与现有的采用柔性铰链形式的消热应力结构形式相比，本发明采用低温工作时结构的轴向变形差来消除常温压紧时压紧力的消热应力方式，而非采用降低支撑刚度的柔性铰链消热应力支撑方式，能够保证低温镜头从常温降温到低温时光轴的
稳定性，有利于提高低温镜头在轨工作时的指向
精度。
[0028] (4)本发明与现有的采用柔性铰链形式的消热应力结构形式相比，设计结构形式简单、普适性强、优化变量少。
附图说明
[0029] 图1为本发明消应力支撑结构示意图；
[0030] 图2为本发明轴向消应力压紧结构外形示意图；
[0031] 图3为本发明镜头安装法兰外形示意图；
[0032] 图4为本发明径向定位柱外形示意图；
[0033] 图5为本发明径向定位柱压盖外形示意图；
[0034] 图6为本发明主承力结构外形示意图。
具体实施方式
[0035] 本发明涉及一种低温镜头压紧释放型消热应力支撑结构形式，应用于光学遥感领域工作于深低温的低温铝镜头的支撑。该支撑结构包含承力结构、镜头安装法兰、轴向消应力压紧结构、压紧螺钉、径向定位柱、径向定位柱压盖。本发明的特点在于利用低温铝镜头常温装调、低温工作的特点，采用一种新型镜头支撑结构形式，该结构能够在常温下采用大的预紧力实现对低温镜头的夹紧固定，满足低温镜头运输和发射时的动刚度要求；在低温工作时，利用镜头安装法兰和轴向消应力压紧结构低温收缩产生的变形差实现压紧力的释放，从而使低温铝镜头能够自由收缩，消除热应力。本发明的有益效果在于相比于现有的采用柔性铰链形式的消热应力结构形式，采用常温下压紧、低温下释放的结构形式，在实现工作温度下消热应力的同时，能够兼顾支撑具有较大的动态刚度，能够应用于工作于深低温的低温镜头的消热应力支撑。
[0036] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0037] 一种低温镜头压紧释放型消热应力支撑结构，其特征在于包括：轴向消应力压紧结构(1)、压紧螺钉(2)、镜头安装法兰(3)、径向定位柱压盖(4)、径向定位柱(5)、承力结构(6)，如图1所示；
[0038] 轴向消应力压紧结构(1),材料为钛合金TC4，为内侧有圆环形凸台的一段圆环，圆环上开有多个安装孔；凸台位于圆环端面的一侧，在凸台侧面开有两组矩形通槽，每组矩形通槽包括一排多个矩形通槽，两组矩形通槽平行且交错排列,如图2所示；
[0039] 轴向消应力压紧结构(1)的凸台上的通槽使凸台具有一定的柔性，使凸台在压紧螺钉(2)施加的压紧力下产生的压缩变形量与轴向变形差相适应，该轴向变形差由不同热膨胀系数的轴向消应力压紧结构(1)与镜头安装法兰(3)从常温降温到低温工作温度时产生。
[0040] 压紧螺钉(2)为普通的内六
角圆柱头螺钉；
[0041] 镜头安装法兰(3),材料为
铝合金5A06,为需要被支撑的镜筒外侧的圆环形法兰,如图3所示；
[0042] 镜头安装法兰(3)的外侧开有多个缺口，多个缺口均匀分布，镜头安装法兰(3)有缺口的一侧伸入承力结构(6)内，并与承力结构(6)的凸起配合；
[0043] 径向定位柱(5)，材料为钛合金TC4，为圆柱形且在圆柱的侧面上切相同的槽，如图4所示；
[0044] 径向定位柱(5)，被径向定位柱压盖(4)压紧在镜头安装法兰(3)的缺口中，径向定位柱(5)在镜头安装法兰(3)的圆周径向均布。当从常温降温到低温，镜头安装法兰(3)的径向尺寸减小时，径向定位柱(5)能始终顶在镜头安装法兰(3)上，并施加相同的力，起到径向定位的功能。
[0045] 径向定位柱压盖(4),材料为钛合金，通过螺钉将径向定位柱(5)压紧在承力结构(6)的侧壁上，如图5所示；
[0046] 承力结构(6)，材料为钛合金TC4，为中空圆柱形结构，内壁有凸起，侧壁有多组安装径向定位柱(5)的通孔和径向定位柱压盖(4)的安装孔，如图6所示；
[0047] 承力结构(6)，用于提供轴向消应力压紧结构(1)和镜头安装法兰(3)的安装靠面，使低温铝镜头通过镜头安装法兰(3)能够被固定在承力结构(6)上。
[0048] 镜头安装法兰(3)的多个缺口和承力结构(6)侧壁的多组安装径向定位柱(5)的通孔和径向定位柱压盖(4)的安装孔相对；
[0049] 轴向消应力压紧结构(1)的圆环通过压紧螺钉(2)固定在承力结构(6)的一个端面上，轴向消应力压紧结构(1)的凸台与镜头安装法兰(3)的一侧贴合，镜头安装法兰(3)的另一侧与承力结构(6)的凸起配合；
[0050] 镜头安装法兰(3)的外径与承力结构(6)的内径配合；
[0051] 压紧螺钉(2)，将轴向消应力压紧结构(1)以一定的预紧力固定在承力结构(6)上；同时压紧螺钉(2)产生的压紧力将镜头安装法兰(3)压紧在承力结构(6)上；
[0052] 多个径向定位柱(5)通过承力结构(6)侧壁的多组安装径向定位柱(5)的通孔伸入承力结构(6)内，并和镜头安装法兰(3)的多个缺口配合；
[0053] 具体工作原理、实施步骤、设计匹配关系、作用和效果如下：
[0054] 承力结构与轴向消应力压紧结构材料均为钛合金TC4，镜头安装法兰材料为铝合金Al6061。在常温下通过压紧螺钉施加压紧力的方式用消应力压紧结构将镜头安装法兰压紧固定到承力结构上，使低温镜头支撑满足动刚度要求。
[0055] 从常温293K降到低温镜头工作温度100K时，因铝合金与钛合金之间热膨胀系数的差异，轴向消应力压紧结构与镜头安装法兰之间会产生轴向变形差。本方案将轴向消应力压紧结构凸台的侧面切槽，设计成弹性元件，通过压紧螺钉施加压紧力，使弹性变形量等于工作温度下的热膨胀产生的轴向变形差。这样低温镜头在逐渐降温到低温工作温度时，镜头安装法兰表面的压紧力逐渐减小，施加在其表面的
摩擦力也逐渐减小，镜头安装法兰在轴向消应力压紧结构和径向定位柱的限位下将能够实现自由收缩，从而实现热应力的卸载。径向定位柱和径向定位柱压盖径向3组均布，用于在镜头安装法兰径向热变形时的中心定位。
[0056] 优选具体实施方案按如下几个步骤开展：
[0057] 1)首先根据选择材料的热膨胀系数，计算轴向消应力压紧结构与镜头安装法兰之间的轴向变形差。计算公式如下：
[0058] Δ1＝L1×(Th-Tl)×(α1-α2)
[0059] 式中，Δ1为轴向变形差；L1为镜头安装法兰厚度，为10mm；Th为常温装
调温度点，-6为293K；Tl为低温工作温度点，为100K；α1为铝合金Al6061平均热膨胀系数，为18×10 /K；α2为钛合金Tc4平均热膨胀系数，为8×10-6/K。
[0060] 经计算，轴向消应力压紧结构与镜头安装法兰之间的轴向变形差Δ为1.93×10-2mm。
[0061] 2)计算分析当轴向消应力压紧结构产生Δ1变形量时，通过压紧螺钉在其上施加的压紧力F，采用
有限元分析软件进行静力学分析计算得到。分析结果为优选在轴向消应力压紧结构与镜头安装法兰
接触面之间施加8000N的压紧力时，产生1.93×10-2mm的变形量，此变形量由轴向消应力压紧结构上凸台侧面的两组交错排列的矩形通槽产生，与此变形量匹配的优选凸台高度为8mm，优选矩形通槽的宽度为1.2mm，优选两组通槽之间的间距为1.2mm，优选每个通槽对圆环中心的夹角为4°。
[0062] 此设计使得在轴向消应力压紧结构与镜头安装法兰接触面之间施加8000N的压紧力时，轴向消应力压紧结构凸台在轴向产生的变形量与低温工作时轴向消应力压紧结构与镜头安装法兰之间的轴向变形差相等，从而使得低温镜头在逐渐降温到低温工作温度时，镜头安装法兰表面的压紧力逐渐减小，施加在其表面的摩擦力也逐渐减小，镜头安装法兰在轴向消应力压紧结构和径向定位柱的限位下将能够实现自由收缩，从而实现热应力的卸载。本发明与现有的采用柔性铰链形式的消热应力结构形式相比，设计结构形式简单、普适性强、优化变量少。并且在常温下具有足够的压紧力，能够兼顾运输、发射等非工作时的动刚度要求。
[0063] 3)计算在
螺钉头对轴向消应力压紧结构产生数值F的压紧力时，在每个螺钉上施加的拧紧力矩值。计算公式如下：
[0064] T＝K×(F/n)×d
[0065] 式中，T为螺钉拧紧力矩；K为预紧力系数，优选根据表面润滑状况在0.1～0.3之间变动；F为螺钉在轴向消应力压紧结构上施加的总压紧力；n为螺钉的数量，为4；d为
螺纹公称直径，本设计优选采用M8的螺钉，公称直径为8mm。经计算T＝4.8Nm，即采用力矩
扳手，按照上述计算的力矩值，对螺钉施加规定的拧紧力矩，将轴向消应力结构及镜头安装法兰固定到承力结构上。
[0066] 4)设计确定径向定位柱压紧量及尺寸参数。优选在100K工作时，低温镜头径向沿轴心产生收缩，而不是偏向一边，设计了轴向三组均布的镜头径向定位柱和径向定位柱压盖。低温镜头降温到优选100K时轴向产生的收缩量差计算公式如下：
[0067] Δ2＝L2×(Th-Tl)×(α1-α2)
[0068] 式中，Δ2为镜头安装法兰径向收缩量差，L2为后镜头安装法兰直径，为Th为常温装调温度点，优选为293K；Tl为低温工作温度点，优选为100K；α1为铝合金Al6061平均热膨胀系数，优选为18×10-6/K；α2为钛合金Tc4平均热膨胀系数，优选为8×10-6/K。
[0069] 经计算Δ2＝714μm。单边产生的间隙优选为357μm，应设计压紧变形量优选为357μm的径向定位柱。与此变形量匹配的径向定位柱直径优选为9.5mm，高度优选为15.8mm，在径向定位柱侧面开有7个通槽，通槽高度优选为1.2mm，通槽之间间距优选为0.8mm。如图4所示。径向定位柱沿圆周共均布3处，分别通过承力结构上对应的3处安装孔，插入镜头安装法兰的3处缺口中，优选缺口宽度为9.5mm，高度为4mm。在未用径向定位柱压盖压紧前，优选径向定位柱端面高出主承力结构表面357μm，最后通过螺钉用径向定位柱压盖压平径向定位柱。
[0070] 按此设计的径向定位柱，在镜头安装法兰径向施加相同的力，当低温镜头由常温降温到低温工作温度时，在镜头安装法兰径向产生收缩量差的过程中，径向定位柱始终在镜头安装法兰径向施加相同的力，从而保证低温镜头光轴的稳定性。
[0071] 采用上述具体案例中参数设计的一种低温镜头压紧释放型消热应力支撑结构，经分析基频达到89Hz，支撑刚度满足地面运输、发射时的动刚度要求。经低温镜头像质测试，常温下镜头波像差为0.91μm，低温100K时镜头波像差为0.66μm，低温下像质有所提高，没有劣化，说明低温镜头压紧释放型消热应力支撑结构起到了较好的消除热应力的效果。
