空间望远镜可展开次镜支撑桁架综述

李志来 杨利伟 徐宏 董得义 曹乃亮 袁野

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

空间望远镜可展开次镜支撑桁架综述

李志来 杨利伟 徐宏 董得义 曹乃亮 袁野

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

为了获取更高的分辨率，空间望远镜系统的尺寸变得越来越大，以至于这些光学仪器无法装入现存运载器的内包络。采用可展开结构或分瓣式光学元件是克服内包络限制的一种有效手段，目前，国际上许多航天型号任务正积极采用这样的设计方案。与传统光学系统不同的是，可展开光学系统将依赖于展开机构的重复性和可靠性，以及多光学元件的主动共相来满足光学系统的成像需求。可展开次镜支撑桁架是可展开光学系统的重要组成部分，其展开精度直接影响光学系统的性能。为了了解该类展开机构的发展现状，文章对可展开望远镜系统进行了充分的调研与分析，从结构形式、展开机构、驱动方式等角度讨论了几种典型的可展开次镜支撑桁架的特点，并对其中的关键技术，如铰链的非线性特性抑制技术、高重复性和稳定性在轨展开锁定技术及地面重力卸载技术等进行了分析与总结。最后归纳了可展开次镜支撑桁架的一些设计原则。

可展开次镜支撑桁架 关键技术 设计原则 空间望远镜 航天遥感

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

0 引言

为实现高分辨率成像，空间望远镜需要极大的口径与极长的焦距，例如NASA在研项目詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Web Space Telescope，JWST），其有效口径就达到了6.5m。未来的空间望远镜项目需要更大的口径与更长的焦距，这对于火箭的运载能力（包括尺寸、质量等）来说将是一个极大的挑战。虽然各国正在设计更大的运载器整流罩，将放宽一些对光学系统口径的限制，但是在许多方面仍然无法满足空间任务的需求。而空间可展开光学系统可以有效解决日益增长的望远镜口径与焦距同运载火箭外包络尺寸的矛盾，使研制更大口径（大于3m）、更高空间分辨能力的光学望远系统成为可能[1-2]。

次镜是光学系统的关键部件，其面形及位置精度直接影响光学系统的成像质量。而可展开次镜支撑桁架是光机结构中的关键部件，其尺寸精度及稳定性直接影响次镜的位置精度。超大空间望远镜焦距一般比较长，与运载器长度方向的包络尺寸相比，主次镜间隔过大，无法满足运载条件的要求，需对其进行三维空间内的立体折叠和展开。如何选择合理的折叠机构，并保证折叠组合体空间展开后的位置精度及稳定性，是超大口径空间望远镜研制的关键技术。

本文对可展开次镜支撑桁架的发展状态进行了概述，从不同角度讨论几种典型的可展开次镜支撑桁架的特点，分析与总结了其中的关键技术，并给出了一些设计原则。

1 空间望远镜可展开次镜支撑桁架概况

次镜支撑桁架按照结构形式分类，可分为三角架、六角架、次镜塔等；按照展开机构的形式分类，可分为连杆式、套筒式、机械臂式等；按照驱动方式分类，又可分为电机驱动，应变能驱动、混合驱动等。不同的结构形式具有不同的力学特性，而不同的展开机构又具有不同的运动学特性，其各自的优缺点也不尽相同。

1.1 JWST可展开次镜

JWST是 NASA主导的新一代空间望远镜系统。它的次镜支撑结构（Secondary Mirror Support Structure，SMSS）被设计成一个可展开的三脚支架形式，如图1所示。由于该支撑结构属于静定结构，因此具有优越的动力学稳定性和较轻的质量。整个展开系统是通过步进电机驱动四连杆机构来实现的。次镜支撑结构使用了极低热膨胀系数的复合材料，以避免次镜离焦导致的波前误差。发射时，次镜支撑桁架折叠起来，固定在光学基座上；入轨后，锁定机构解锁，电机驱动整个支架展开；完全展开后，中间铰链锁定，形成一个刚性杆；整个展开过程如图2所示。为了保证可展开次镜支撑桁架在锁定状态下不会出现失稳现象，研制人员设计和加工了一套铰链和锁定机构，并用高分辨率距离测试设备对其进行了测试。测试结果表明：被测件在承受了300倍的预期运行载荷后，并没有出现失稳现象[3-6]。

与之类似的一个设计方案是 ATLAST-9.2m空间望远镜的可展开次镜支撑桁架。该望远镜由美国空间望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）提出，用于观测紫外线、可见光和近红外。它的次镜组件可展开结构的形式与JWST几乎完全一致。其折叠和展开状态如图3所示[7-8]。

1.2 国际X射线观测站（International X-ray Observatory，IXO)可展开次镜

IXO是欧空局2015—2025计划中规划的一个超大口径望远镜项目，并与美国NASA和日本JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）进行合作研制开发，该望远镜需要将主结构长度方向从8m展开到至少20m。2010年左右，可展开次镜支撑桁架有两种倾向性设计方案，一种为三机械臂展开机构，由三组相互独立的机械臂组成，如图4（a）所示。发射时，机械臂成折叠状态，入轨后，三组机械臂在电机的驱动下各自展开；另一种为张拉整体展开结构（也称张拉整体伸展臂，根据连续张拉，不连续受压的原理研制而成），主要由两个伸缩套筒和若干条张紧线组成，如图4（b）所示；在伸缩套筒展开过程中，张紧线不对伸缩套筒施加载荷，一旦伸缩套筒完全展开并锁定，张紧线在促动器的作用下张紧，使整个结构成为一个坚固、稳定的整体[9-12]。

1.3 可展开光学望远镜（Deployable Optical Telescope，DOT）次镜

DOT系统是美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）于2000年左右主导的空间望远镜系统，它的可展开次镜支撑桁架采用的是套筒式次镜塔结构。该结构被粘接在总体结构的中心，它的折叠状态长度为2.25m，展开状态长度为3.74m，有效折叠长度约为1.5m。次镜组件安装了六自由度平台，用于实现次镜塔展开后的次镜定位。整个次镜塔结构如图5所示。其展开机构包括固定套筒、滑动套筒、驱动机构、锁定机构，滑动套筒的展开依靠驱动电机、绳索、滑套来实现[13-14]。

1.4 类地行星发现者（Terrestrial Planet Finder，TPF）可展开次镜

TPF是NASA于2003年至2011年间主导的一个望远镜系统，用于探测地外行星。其概念设计如图6所示。该望远镜采用了离轴式光学系统，主次镜间隔为10m量级，主镜位于飞行器设备支撑面板上，次镜安装在可展开次镜塔的顶端。可展开次镜塔采用的是机械臂式展开机构，有三个折叠铰链，铰链轴线彼此正交，可实现次镜塔的三维折叠，其折叠与展开状态如图7所示。次镜拥有一个六自由度调整机构，用于实现展开后的次镜位置调整[15-18]。

1.5 细孔径光线收集器（Thin Aperture Light Collector，TALC）可展开次镜

TALC是一个法国和英国于2014年主导的20m口径的空间观测站项目。该项目试图探索一些非常规的光学望远镜解决方案。它的主镜采用堆栈式折叠方案（如图8所示），而次镜和焦平面组件作为一个模块安装在可展开主轴的顶端。该主轴包含两种展开机构：一种是伸缩套筒机构，另一种是机械臂机构，如图9所示[19-20]。

1.6 其他设计方案

2004 年左右，美国约翰斯•霍普金斯大学的 Bradley G. Boone等人研究了一种能应用于大口径（m级）望远镜（Large Aperture (meter-class) Optical Telescopes，LAOT）的可展开次镜支撑桁架。与其他采用电机驱动的展开结构不同，该展开结构利用了材料的应变能进行驱动。研究团队设计了基于施密特-卡塞格林系统的望远镜样机结构并进行试验，主镜口径355.6mm，主次镜间隔654mm，次镜通过四根带状弹簧连接，每根带状弹簧长635mm、宽22.7mm、厚0.2mm，结构如图10所示。试验时，利用布置在主镜周围的四个激光器射出的光束测量主次镜间的对准情况，并利用促动器进行准静态偏移校正和动态运动补偿[21]。

2010 年左右，NASA与圣何塞州立大学、美国黑人工程师协会等几家研究机构开展了一个名为可折叠多布森空间望远镜（Collapsible Dobson Space Telescope，CDST）的研究计划，该计划的目的是确定一个直径为150～200mm、用于地球观测的空间望远镜的可行性。该望远镜位于一个质量只有10kg的微小卫星平台上，发射时处于折叠状态，入轨后展开。通过对几种展开结构进行对比，一种应变能展开方案最终被研究人员采纳，其结构形式如图11所示，这种结构形式的展开/折叠比可达6.76。次镜处设有微位移调整装置，可以补偿由于展开误差及热变形引起的次镜失调量[22]。

2004年左右，意大利那不勒斯第二大学的 Roberto Gardi等人基于MITAR（Micro Telescope，High Resolution）项目，研究了一种能够应用在微小卫星平台上，并能在400km高度获得1 m分辨率的新型可展开望远镜。研究人员提出了一种可展开八边形桁架结构，可实现次镜的展开。该结构主要由多个八边形刚体单元组成，刚体单元之间串联，相邻的刚体单元由八根带状弹簧进行连接，每根带状弹簧由两根相同的弹簧利用粘弹性聚合物胶粘而成。另外为了克服带状弹簧边缘与八边形刚体单元之间初始摩擦力以实现自行展开，结构中引入了扭转弹簧。图12所示为展开结构的原理样机[23]。

2 方案对比

从结构复杂性、收拢率、展开精度、展开刚度、承载能力、可靠性等方面对各种方案的优缺点进行了讨论，结果见表1。通过对比可以发现，JWST的三角架结构+四连杆展开机构具有结构简单、展开精度高、可靠性高等优点，是比较理想的方案。

表1 几种可展开次镜支撑桁架方案对比Tab.1 Comparison among a few types of deployable secondary mirror support trusses

3 关键技术分析

传统的空间望远镜结构属于光机结构的范畴，涉及到静力学、运动学、热学、材料学等学科，需根据光机结构的设计准则对光学元件的运动学支撑结构及定位装置进行设计。空间可展开机构属于空间机构的范畴，涉及到运动学、摩擦学、材料学、电子学等学科，需根据空间机构的设计准则对定位精度要求不高的展开机构进行设计。而空间望远镜可展开机构既属于光机结构的范畴，又属于空间机构的范畴，因此在进行结构设计时，需同时考虑光机结构及空间机构的设计准则。两大应用领域的结合给可展开望远镜的结构设计带来了诸多困难，需突破一些关键技术，才能使空间望远镜可展开机构既满足空间可展开机构的要求，又满足光学系统的要求[24]。可展开望远镜结构包括可展开主镜、可展开次镜支撑桁架等。本文对可展开次镜支撑桁架的关键技术进行了归纳总结，主要体现在以下几个方面：

3.1 铰链的非线性特性抑制技术

传统的铰链会呈现出一定的非线性特性，例如空行程、变刚度及滞后性等[25-27]。这些非线性特性的存在，不仅给航天器机构的运动带来许多不确定度，而且会使运动精度及定位精度降低。当这些铰链用于定位精度要求很高的望远镜展开机构时，这些非线性特性带来的负面影响更加明显。而这种非线性特性是很难用仿真分析软件进行分析的。因此，在次镜展开机构设计中，需采取适当的措施，抑制这些非线性特性，提高展开机构的定位精度。

3.2 高重复性和稳定性在轨展开锁定技术

为满足光学系统对反射镜位置精度提出的要求，传统望远镜与可展开望远镜采用的是不同的解决方案。前者依靠低密度、高模量的材料设计出高比刚度反射镜及支撑结构来满足光学系统提出的要求，而后者依靠的是展开锁定机构的重复性和稳定性，以及多光学表面的共相。例如，某些光学元件重复定位精度必须在1mm范围内，而在望远镜长期的运行过程中，光学元件的位置精度必须稳定在20nm以内[28-29]。这些重复定位精度及稳定性要求对展开机构的在轨展开锁定提出了更高的要求。传统的展开锁定方案主要有两种：被动式锁定机构和主动式锁定机构。被动式锁定机构是指利用弹簧等具有应变能的元件实现压紧锁定的机构，它具有结构简单、可靠性高等优点，但重复性及稳定性略低。主动式锁定机构是指利用电机驱动实现压紧锁定的机构，具有重复性及稳定性高的优点，但结构复杂，可靠性比被动式略低。如何在保证展开锁定机构高重复性和稳定性的同时，又能实现高可靠性，是可展开次镜支撑桁架研究中的难点和重点所在。

3.3 地面重力卸载技术

空间可展开结构通常刚度较低，有时甚至无法支撑它们的自重，在地面进行折叠与展开实验的过程中，需要采取相应的重力卸载措施。重力卸载技术是一个长期困扰人们的难题。传统的解决方案有两种：氦气球卸载方法和机械式配重卸载方法。例如，配重卸载方法是将一个可以在水平面内移动的小车放置在载荷的上方，通过绳索与载荷连接，当载荷展开时，小车用来卸载载荷的重量。很多情况下，是载荷拉着小车前进，而不是载荷与小车同时前进。这种方法不仅人为地限制了垂直方向的自由度，而且会对载荷施加侧向的拉力[30]。当展开结构为望远镜光机结构时，光学系统对展开精度的严格要求又是对传统重力卸载方案的一个挑战。因此，如何开展重力卸载试验，既能使望远镜可展开结构的重力得到完全的卸载，又能使重复定位精度满足设计要求，是可展开次镜支撑桁架研制过程中的关键技术之一。

4 可展开次镜支撑桁架设计原则

通过对目前国外可展开次镜支撑桁架发展现状的讨论，结合对其关键技术的分析，可展开次镜支撑桁架设计原则主要体现在以下几个方面[24,27,31-32]：

1）首先应判断展开运动的可行性，在保证可行性的前提下，尽可能采用简单的运动形式实现展开，并进行模拟仿真进行验证；

2）保证驱动力的裕度。一般情况下，驱动力与展开阻力之比不小于200%，在质量和体积允许的情况下，应考虑设置驱动机构的备份；

3）设置次镜微位移调整机构。由于展开机构的重复定位误差及热变形等原因，在轨展开后，次镜相对于主镜的位置可能会发生变化，设置微位移调整机构，可以补偿由于上述原因导致的次镜失调量；

4）展开机构在飞行阶段应可靠锁紧，保证锁紧刚度，同时应处理好锁紧与释放的矛盾，确保在可靠锁紧的情况下，能够可靠释放；

5）对铰链中的轴承施加预载荷，以减小轴承间隙，提高轴承的支撑刚度及运动精度；

6）为了使滞后效应及相关不稳定性最小，可展开次镜支撑桁架应尽可能采用静定的支撑结构；

7）次镜桁架杆应选用高模量、低线胀的空间结构材料，以提高可展开次镜支撑桁架的整体刚度及尺寸稳定性，减小外部振源扰动及温度变化对次镜的影响。

5 结束语

未来的空间望远镜系统必将向着更大口径、更长焦距的方向发展，来满足空间科学与工程任务的需要。运载火箭的整流罩尺寸限制了空间望远镜系统发射时的尺寸，因此，需研究具有高展开精度、高展开刚度及高可靠性的可展开机构，以满足未来更大口径空间望远镜的使用需求。空间望远镜的展开机构既属于光机结构领域，又属于空间机构领域，两大应用领域的结合给可展开望远镜的结构设计带来了诸多困难，需突破一些关键技术，才能使空间望远镜可展开机构满足使用要求，因此在进行可展开次镜支撑桁架设计时应同时考虑这两个领域的设计准则。

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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

李志来，男，1965年生，1986年获吉林工学院学士学位，研究员。研究方向为空间光学遥感器结构技术及精密机械研究。E-mail：lizl2004@sohu.com。

（编辑：庞冰）

2016-12-19

国家重点研发计划（No. 2016YFB0500100）