本發(fā)明涉及一種基于碳化硅增材制造的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，屬于空間光學(xué)遙感器反射鏡。

背景技術(shù)：

1、低溫光學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)、近地小行星監(jiān)視預(yù)警、空間紅外天文觀測(cè)等領(lǐng)域。低溫光學(xué)系統(tǒng)要求光學(xué)鏡頭溫度適應(yīng)性好、反射鏡在低溫下具有較高的面形精度，鏡頭在低溫下實(shí)現(xiàn)高成像質(zhì)量。由于低溫工作特點(diǎn)，要求鏡頭結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、熱導(dǎo)率高、抗力學(xué)性能好，滿足航天產(chǎn)品對(duì)尺寸重量的要求。

2、離軸光學(xué)系統(tǒng)非對(duì)稱，低溫下熱變形容易引起鏡頭失調(diào)，不利于低溫工作。同軸四反光學(xué)系統(tǒng)相比同軸兩反和同軸三反光學(xué)系統(tǒng)校正像差能力更強(qiáng)，同時(shí)主鏡和四鏡可以設(shè)計(jì)為一體鏡，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)對(duì)稱性好，比較適合低溫應(yīng)用。中國(guó)專利cn102385143a《一種微晶低溫鏡頭及其相機(jī)》提出一種采用全微晶材料設(shè)計(jì)的同軸四反低溫鏡頭，主鏡和四鏡為一體鏡，微晶材料強(qiáng)度低，同時(shí)熱導(dǎo)率低。中國(guó)專利cn102338922a《一種全鋁低溫反射式鏡頭》提出一種采用鋁合金材料設(shè)計(jì)的同軸四反低溫鏡頭，主鏡和四鏡為一體鏡，鋁合金材料熱導(dǎo)率高，加工性能好，但是材料比剛度低，鏡頭很難實(shí)現(xiàn)高輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)受限于光學(xué)鋁材料成型工藝，目前還難以研制大口徑鋁鏡。中國(guó)專利cn115826168a《兩反射面一體式反射鏡及應(yīng)用該反射鏡的同軸四反光學(xué)系統(tǒng)》提出了一種同軸四反光學(xué)系統(tǒng)主四一體鏡的支撐裝置，通過(guò)背部三點(diǎn)固定，反射鏡采用傳統(tǒng)的背部開(kāi)放式輕量化結(jié)構(gòu)，同時(shí)主鏡和四鏡之間為實(shí)體結(jié)構(gòu)，一體鏡輕量化程度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決了空間紅外低溫同軸四反鏡頭中雙面一體鏡的高輕量化設(shè)計(jì)及高低溫面形精度支撐設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2、本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于碳化硅增材制造的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，包括高輕量化雙面一體鏡結(jié)構(gòu)和一體鏡的低溫支撐裝置；

4、高輕量化雙面一體鏡結(jié)構(gòu)包括一體鏡、外圈、內(nèi)圈、徑向加強(qiáng)筋；一體鏡的兩側(cè)為鏡面a和鏡面b，兩個(gè)鏡面同軸，鏡面a和鏡面b通過(guò)內(nèi)圈、外圈和徑向加強(qiáng)筋連接到一起；

5、一體鏡低溫支撐結(jié)構(gòu)包括pad片、卸載片、墊片、鏡框；pad片材料為和碳化硅熱膨脹系數(shù)接近的膨脹合金，通過(guò)低溫環(huán)氧膠粘接固定到一體鏡外圈上；卸載片為鈦合金薄板，一側(cè)通過(guò)螺釘和墊片與pad片連接，另一側(cè)通過(guò)螺釘和墊片與鏡框連接。

6、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：

7、(1)本發(fā)明雙面一體鏡材料為碳化硅，相比傳統(tǒng)雙面一體鋁鏡，剛度更高，低溫下熱導(dǎo)率更高，熱膨脹系數(shù)更小，綜合性能更優(yōu)。

8、(2)本發(fā)明雙面一體鏡采用碳化硅增材制造工藝實(shí)現(xiàn)半封閉式結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)鏡坯成形工藝只能實(shí)現(xiàn)實(shí)體雙面鏡、背部開(kāi)放式反射鏡，本發(fā)明采用的半封閉式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高輕量化程度。

9、(3)本發(fā)明利用碳化硅剛度高的特點(diǎn)，相比雙面一體鋁鏡，可以減小一體鏡雙側(cè)鏡面頂點(diǎn)距離，壓縮一體鏡厚度，從而壓縮光學(xué)系統(tǒng)光軸方向尺寸。

10、(4)本發(fā)明中一體鏡設(shè)計(jì)有蘑菇頭結(jié)構(gòu)，減小一體鏡支撐結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)小型化。

11、(5)本發(fā)明中一體鏡采用低溫環(huán)氧膠粘接固定，較傳統(tǒng)硅橡膠，拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度更高，粘接結(jié)構(gòu)更牢固，同時(shí)可工作到更低溫度下。

12、(6)本發(fā)明中一體鏡支撐結(jié)構(gòu)剛度高，滿足航天產(chǎn)品對(duì)光學(xué)件的支撐頻率要求，有利于通過(guò)發(fā)射段力學(xué)振動(dòng)考核。

13、(7)本發(fā)明中一體鏡支撐結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的徑向卸載能力，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，可工作到100k低溫下，同時(shí)保證面形精度。

14、(8)本發(fā)明中一體鏡徑向卸載通過(guò)六組圓周均布的鈦合金薄板實(shí)現(xiàn)，鈦合金強(qiáng)度高，常溫到低溫?cái)嗔秧g性變化不大，適合低溫應(yīng)用。

15、(9)本發(fā)明中一體鏡組件通過(guò)鈦合金鏡框和鏡頭其它結(jié)構(gòu)連接，對(duì)外接口設(shè)計(jì)有徑向卸載結(jié)構(gòu)，能夠降低鏡頭其它結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)一體鏡的影響。

16、(10)本發(fā)明中一體鏡組件結(jié)構(gòu)緊湊，能夠有效壓縮鏡頭尺寸，實(shí)現(xiàn)鏡頭減重。

技術(shù)特征：

1.一種基于碳化硅增材制造的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，包括高輕量化雙面一體鏡結(jié)構(gòu)和一體鏡的低溫支撐裝置；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，一體鏡材料為碳化硅，采用增材制造方式完成素坯成形，然后進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，形成高剛度的碳化硅鏡坯。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，一體鏡中心設(shè)有通光孔。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，一體鏡設(shè)有蘑菇頭結(jié)構(gòu)，即外圈外徑比鏡面外徑小，減小一體鏡支撐結(jié)構(gòu)尺寸。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，在外圈上設(shè)有方形減輕孔進(jìn)行減重。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，pad片共有六組，沿周向均勻分布。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，pad片材料的熱膨脹系數(shù)在碳化硅隨溫度變化的熱膨脹系數(shù)區(qū)間內(nèi)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，卸載片共有六組，沿周向均勻分布。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)調(diào)整卸載片的厚度、長(zhǎng)度和寬度尺寸，實(shí)現(xiàn)滿足一體鏡組件剛度和熱變形卸載要求。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，其特征在于，一體鏡組件裝配時(shí)，首先完成pad片和一體鏡粘接，低溫環(huán)氧膠固化后安裝卸載片和墊片及鏡框，具體安裝方法如下：固定鏡框，調(diào)整一體鏡位置，實(shí)現(xiàn)卸載片和pad片及鏡框的安裝面良好貼合，然后通過(guò)螺釘和墊片實(shí)現(xiàn)卸載片固定。

技術(shù)總結(jié)
一種基于碳化硅增材制造的高輕量化雙面一體鏡系統(tǒng)，包括高輕量化雙面一體鏡結(jié)構(gòu)和一體鏡的低溫支撐裝置；高輕量化雙面一體鏡結(jié)構(gòu)包括一體鏡、外圈、內(nèi)圈、徑向加強(qiáng)筋；一體鏡材料為碳化硅，一體鏡的兩側(cè)為鏡面A和鏡面B，兩個(gè)鏡面同軸，鏡面A和鏡面B通過(guò)內(nèi)圈、外圈和徑向加強(qiáng)筋連接到一起；一體鏡低溫支撐結(jié)構(gòu)包括PAD片、卸載片、墊片、鏡框；PAD片材料為和碳化硅熱膨脹系數(shù)接近的膨脹合金，通過(guò)低溫環(huán)氧膠粘接固定到一體鏡外圈上；卸載片為鈦合金薄板，一側(cè)通過(guò)螺釘和墊片與PAD片連接，另一側(cè)通過(guò)螺釘和墊片與鏡框連接。

技術(shù)研發(fā)人員：晉利兵,童衛(wèi)明,曹東晶,馬越,劉慧,高幸華,宋俊儒,練敏隆,金忠瑞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京空間機(jī)電研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19