本发明涉及大口径聚焦反射镜，更准确地说是一种可在太空中依靠自 旋稳定的薄膜反射镜及其在太空的应用。

利用抛物面反射镜聚焦是聚集太阳能的传统方法之一，现有的各种大 口径抛物面反射镜由于结构笨重，价格昂贵而难以普遍采用。为减轻结构 重量，实用新型专利“负压式反光软膜太阳灶”(专利号为91206710)， 公开了一种利用反光软膜制造凹面镜的设计，由于该方案需要一个密封的 腔体以保持负压，难以制成大口径的抛物面。

太阳能是取之不尽的洁净能源，它的最大局限是能量度密度较低。如 果能以很低的成本将大面积的太阳能聚集起来，则可突破大规模利用太阳 能的瓶颈。本发明的目的就是以极少的材料制造出大口径的薄膜反射镜， 并提供薄膜反射镜在太空中展开的方法，从而以极低的成本在太空中将大 面积的太阳能聚集起来供发电或供热；此外，还可将薄膜反射镜用于航天 器的无线电天线和太阳帆.。

自旋稳定的薄膜反射镜是用极薄、极柔软但难以拉伸的薄膜材料电镀 或粘合上一层金属反射膜，预制成所需的旋转曲面，其周边连接着缆索和 重物，重物的作用是在自旋状态下帮助薄膜镜面展开并保持稳定，重物再 由控制缆索连结到位于曲面轴线位置的负载上。(负载可以是太阳能发电 系统、卫星、太空站或太阳能火箭，也可以是刚性杆或桁架。)负载或负 载上的传动装置可带动薄膜反射镜自旋展开，自旋的轴线指向太阳。自旋 使薄膜反射镜对日定向，并使柔软的薄膜镜面保持为标准的旋转曲面。负 载上装有太阳能吸收器，吸收器位于反射镜的焦点上。

自旋稳定的薄膜反射镜可分为两种类型，一类是凹面的薄膜反射镜，另 一类是环形的薄膜反射镜。

凹面反射镜的镜面形状可以是旋转抛物面、球面或其他旋转曲面。 形状为旋转抛物面的薄膜凹面镜，其焦点一般应设计在镜口平面附近：设 旋转抛物面由二次曲线Y＝KX2绕Y轴旋转而成，若镜口直径为a，令 K＝1/a则该旋转抛物面的焦点在镜口平面中心；K＞1/a则焦点处于镜口平 面内侧；k＜1/a则焦点处于镜口平面外侧。

另一类为环形薄膜反射镜，其镜面形状可以是环形椎面或环形弧面。 环形椎面的母线(环形曲面可视为母线绕中轴旋转一周形成)是直线，与 中轴的夹角为45°。环形弧面的母线是向外侧凸出的弧线，使聚集的阳光 更集中。

薄膜反射镜的镜口与负载有两种连结方式。

一种方式为：镜口边缘伸展为平面，连接于由缆索和重物连成的平面 多边形，重物位于多边形的顶点。柔软的薄膜反射镜在太空中展开并产生 自旋，自旋使薄膜镜面产生向四周的张力，从而维持其旋转曲面的形状。 负载用轻质高强度的控制缆索连结于镜口周边的重物上，负载可以随旋转 镜面同步自旋；也可以在负载上安装一个圆环，(圆环的中轴线与镜面轴 线重合)控制缆索连结于圆环上，圆环随镜面同步自旋，负载则可保持相 对静止。在负载或负载的圆环上设有缆索调节装置和控制杆。

另一种镜口与负载的连接方式为：镜口边缘直接与几个重物连接，各 重物又用控制缆索与负载或负载上的圆环连接，精确调整控制缆索的长 度，使重物环绕中轴线旋转的半径等于镜口的半径。(如果控制缆索过短， 镜口会形成花瓣形；过长，则会趋向多边形。)

环形薄膜反射镜的负载贯穿前后镜口平面，前后镜口周边的重物分别 由控制缆索连接到位于镜口平面外侧的两个圆环上，圆环带动环形镜面产 生自旋，自旋的使薄膜镜面保持为环形旋转曲面。

两种不同的镜口连接定位方式与上述不同的镜面形状可以组合成多种 自旋稳定的薄膜反射镜。

薄膜反射镜周边的重物可以为各种形状，如球形、椎形、饼形、条形 等，甚至可以是火箭等设备。

对于口径数百米至数千米的大型薄膜凹面镜，可由负载上携带的数枚 小型遥控火箭在太空中拖曳着薄膜展开，并在垂直于阳光的平面内带动薄 膜自旋，当薄膜反射镜达到预定的转速后火箭停止喷射，薄膜反射镜依靠 惯性自旋。自旋所产生的张力和太阳的光压使薄膜保持着凹面镜的形状。

对于口径较小的薄膜反射镜，可依靠负载或圆环的自旋，使薄膜凹面 镜在离心力的作用下逐渐展开，自旋的轴线应对准太阳。

经薄膜反射镜聚焦的太阳光可用于砷化镓太阳电池发电。(砷化镓太 阳电池敷设于太阳能吸收器表面，内部装有热管冷却系统，将热量传给热 幅射板。)若用热力发电，太阳能吸收器就成为吸收太阳热的锅炉。也可 将两种发电方式结合起来提高综合发电效率。经聚焦的太阳热还可作为太 空工厂的热源。

自旋稳定的薄膜反射镜可以把太阳光的幅射强度提高几十到几百倍， 而所付出的代价很小(因薄膜反射镜的质量很小，折叠起来体积也很小， 便于发射入轨。)可以极大提高单位质量的发电功率，从而为航天器提供 更为充裕的电力并降低发射成本。

可以把采用自旋稳定的薄膜反射镜的太阳能发电系统与航天器主体分 开，距离几十米或几百米以上，用电缆相互连接起来。由于薄膜反射镜的 面积很大，又是正对阳光的，在光压的长时间作用下，使太阳能发电系统 飘泊于航天器背对太阳的一方，形成系泊式太阳能电站。(它工作于地球 高轨道。由于光压很稳定，这样的系泊方式是非常稳定可靠的。)系泊式 太阳能电站可使大型航天器与其供电系统独立开来，便于设计和建造，并 降低成本。采用薄膜反射镜可制造系列化的太阳能发电系统，以满足不同 功率需求的航天器。

面积巨大的凹面薄膜反射镜可用于建造大规模的空间电站，以便向 远处的航天器或地球输送能量。

自旋稳定的薄膜反射镜可用作航天器的大型无线电天线，(在反射镜 的焦点将是波导或其它信号馈送装置)这种天线具有极轻的质量和良好的 方向性。自旋稳定的大型薄膜反射镜还可用作太阳帆，薄膜镜面可以是凹 面的，也可以是平面的。

以下结合附图及实施例对本发明作详细说明。

图1  依靠三枚火箭展开的大型薄膜凹面镜(正面视图)。 图2  依靠三枚火箭展开的大型薄膜凹面镜(立体示意图)。 图3  自旋展开的薄膜凹面镜(立体示意图)。 图4  几种环形镜面的剖面及光路示意图 图5  有多边形边框的环形反射镜。(立体示意图) 图6  无边框的环形反射镜。(立体示意图) 图7  有伞状底部的凹面反设镜。(立体示意图) 图8  采用环形薄膜反射镜的太阳能火箭。(立体示意图)

实施例1：借助火箭展开的大型薄膜凹面镜

如图1和图2，三枚小型遥控火箭(1)彼此用揽索(2)连结成一个正 三角形，薄膜凹面镜的边缘伸展为平面正六边形，其中三条边分别附着于 正三角形的三条边上。正六边形的内切圆范围内是旋转抛物面(3)，在其 凹面上有反光层；圆外部分(24)为无反光层的平面薄膜。三枚火箭用缆 索(2)拖曳着薄膜在太空中展开并产生自旋。自旋的轴线对准太阳。在 火箭停止喷射后，离心力仍使连接火箭的缆索(2)拉紧，形成一个正三 角形的边框，缆索的张力和薄膜自旋所产生的离心力以及太阳的光压使薄 膜凹面镜展开并保持着预制的旋转抛物面形状。本例中，小型遥控火箭(1) 即为凹面镜周边的重物。

三枚小型遥控火箭(1)分别用轻质高强度的控制缆索(5)连结到负 载(6)的圆环(7)上。圆环(7)内部装有缆索控制装置，适当调节控 制缆索(5)的长度，使负载上的太阳能吸收器(11)位于凹面镜的焦点 上。此外，适当调节控制缆索(5)的长度，还可象操纵风帆一样，缓慢 改变凹面镜的方向，但由于系统处于自旋状态，缆索(5)必须周期性地 循环调节，该周期与自旋的周期同步。

控制杆(8)安装于圆环(7)上，给控制缆索(5)导向，以改善对 旋转曲面的控制能力。热幅射板(9)安装于负载(6)上，用于散发多余 的热量。热幅射板之间夹角相等，每块板都与中轴线共面。

实施例2自旋展开的薄膜凹面镜

如图3：六个质量相等的重物(10)用等长的缆索(2)依次连接成一个 正六边形，薄膜凹面镜的边缘伸展为平面，连接于六边形的各边，即缆索 (2)。在六边形的内切圆范围内，薄膜为旋转抛物面(3)，内切圆之外的 薄膜(24)为平面。负载(6)上安装的圆环(7)用控制缆索(5)分别 与各重物(10)连结。

在太空中，薄膜凹面镜依靠负载或圆环带动自旋，自旋所产生的离心 力使薄膜展开(自旋的轴线对准太阳)：在离心力的作用下六个重物将周 边的缆索(2)拉紧，使薄膜展开，在太阳光压的共同作用下，薄膜保持 为预制的旋转抛物面形状。

实施例3几种不同形状的环形反射镜。

图4所示为不同形状的环形薄膜反射镜的剖视图，箭头所示为沿轴线 入射的阳光经镜面反射的光路图。

图4A为环形椎面反射镜，母线(13)为直线，与轴线(12)成45° 角，沿轴线入射的阳光经镜面反射汇聚到中轴线上，并与中轴线垂直。

图4B为环形弧面反射镜，母线(14)为向外侧凸出的弧线，母线两 端的连线与轴线(12)仍等于或接近45°角，经环形弧面反射的阳光集中 于更短的轴线上。

图4C为环形弧面反射镜的一个特例，它是旋转抛物面(15)被垂直 于轴线的平面(17)切割出来的。不管是那两个平面切割出来的环形反射 镜，其焦点都是原旋转抛物面的焦点，只是与环形镜面的相对位置不同。

实施例4具有前后边框的环形反射镜。

如图5所示：(4)为环形薄膜反射镜的镜面，其前后镜口都伸展开来 连结于重物(10)和缆索(2)连成的两个平面六边形；两个六边形顶点 的重物(10)分别用控制缆索(5)连接到安装于负载(6)两端的两个转 盘(16)上，转盘上装有控制杆(8)和缆索调节装置。两个转盘都伸出 镜口平面之外，以对环形镜面沿母线方向施加一定张力。热幅射板(9) 安装于负载(6)上，它不会阻挡环形镜面反射到负载上的阳光(此例中， 太阳能吸收器安装于负载表面)，而热幅射板(9)幅射的红外线可经环形 镜面反射到太空。环形反射镜自旋的轴线指向太阳。

实施例5无边框的环形反射镜。

如图6所示：环形镜面(4)的边缘与其周边的重物(10)直接相连， 前后镜口边缘的重物分别经控制缆索(5)与两个转盘(16)相连。前后 对应的两个重物(10)分别用缆索(2)连结，(该缆索的长度由环形镜面 的宽度决定。)两个转盘也都伸出镜口平面之外，在自旋状态下，使连接 前后重物(10)的缆索(2)维持一定的张力，以保持环面的宽度。

为使重物(10)与镜面的连结牢固，可在前后镜口的边缘平行地各连 结一条环形缆索(18)，缆索(18)可以是带状的，以便与薄膜更好地结 合，该缆索也与重物(10)连结。

位于中轴线上的负载(6)为刚性杆，其上的太阳能吸热器(11)位 于环形反射镜的焦点处。这种环形反射镜的结构简单，便于展开和收拢。 (在收拢时，只需将控制缆索(5)抽回，薄膜镜面会因贯性继续旋转， 从而缠绕在负载上。)为进一步缩小展开前的体积，刚性杆可采用能伸缩 的套筒式结构。刚性杆的一端可连接于航天器上。

实施例6底部为伞状结构的薄膜凹面镜。

如图7所示：凹面镜的负载(6)为贯穿镜面底部的刚性杆，在刚性 杆与镜面底部相交处以及刚性杆与镜口平面相交处，分别装有两个圆环 (7)底部的圆环四周均匀地安装着伞骨(20)，伞骨与圆环之间为铰接， 以便收拢。伞骨之间为反光薄膜构成的伞面(21)，伞面与周边的薄膜镜 面(3)平滑连结。镜口边缘连结着环形缆索(18)和重物(10)精密调 节控制缆索(5)的长度，使重物(10)围绕镜面中轴线旋转的半径等于 镜口的半径。对于口径较小的凹面镜，镜面底部的伞状结构也可用刚性的 圆盘来代替。

实施例7采用环形薄膜反射镜的太阳能火箭。

如图8所示：负载(6)为太阳能火箭，中间的圆柱体为乘员和设备 仓，后部的椎形体(20)为火箭发动机。太阳能吸收器(11)安装于火箭 表面。几个矢量喷管(21)装于发动机尾部的端面，火箭的推力矢量穿过 太阳能火箭系统的质心，使火箭可以向各个方向加速。火箭的外侧安装着 热幅射板(9)。

圆环(7)安装于火箭的两端，通过控制缆索(5)带动环形薄膜镜面 展开和自旋。本例中的重物为条形(19)，它将前、后镜口边缘相对应的 控制缆索(5)的端部连接起来。条形重物(19)与环形镜面的母线完全 吻合，与镜面紧密相连。采用条形重物的好处是可以将环形镜面加宽，可 聚集更多的太阳能。为减小展开前的体积，条形重物可采用能自动展开的 折叠式结构或形状记忆合金。

环形薄膜镜面以火箭为轴心自旋，自旋的角速度应足够高，使镜面的 离心加速度a(a＝ω2r ω为自旋角速度，r为环形镜面绕中轴旋转的半 径。)为火箭推力产生的加速度的100倍以上，以保持环形镜面的形状和 焦点的位置。由于太阳能火箭是小推力长时间工作的，完全可以满足上述 要求。

太阳能火箭包括太阳能热火箭和太阳能电火箭。

以上实施例结合附图对本发明作了详细说明，但本发明不限于这些具 体实施例，任何对本发明总构思所作的技术方案变换和修改，都不脱离本 发明的总构思和权利要求范围。