一种可展开立方星望远镜

1.本发明涉及一种空间望远镜，具体涉及一种可展开立方星望远镜。


背景技术：

2.随着科技的进步，高分辨率卫星遥感图像逐渐被应用于天文、军事、农业、地质等领域，这些领域对卫星观测图像的分辨率都有着很高的要求。受到衍射极限的限制，空间望远镜为了实现图像的高分辨率，其上光学系统需设计较大口径，造成卫星质量和体积过大、发射成本过高，并且研制周期长。为解决搭载大口径空间望远镜造成卫星质量和体积过大这一问题，目前主流的研究思路是基于微纳卫星平台的空间望远镜，其中研究较多的是立方星平台，立方星平台体积小、质量轻、制造周期短、成本低，近年来获得了快速发展。但是由于受到立方星平台尺寸限制，其上搭载的空间望远镜口径较小，从而限制了空间望远镜的分辨率。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决大口径空间望远镜体积和质量过大，而立方星平台受尺寸限制搭载的空间望远镜分辨率不高的技术问题，提出一种可展开立方星望远镜，其减小了体积和质量，降低了发射成本，实现了高分辨率成像。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下。
5.一种可展开立方星望远镜，其特殊之处在于：包括同轴设置的立方星平台、光学组件和遮光罩组件以及固定装置；光学组件包括主镜组件和次镜组件；
6.所述次镜组件包括同轴设置在立方星平台上的基座、设置在基座上的次镜展开机构，以及与次镜展开机构连接的次镜本体；
7.所述主镜组件包括n个子镜和对应连接于各自子镜的子镜展开调节机构；子镜展开调节机构沿立方星平台周向均布设置；n≥4；
8.所述遮光罩组件包括遮光罩薄膜和m组可沿立方星平台径向延展的遮光罩支架，所述遮光罩支架延展前安装在立方星平台内，且延展后形成一个遮光空间；所述主镜组件、次镜组件和立方星平台位于所述遮光空间内；所述遮光罩薄膜折叠设置在延展前的遮光罩支架上，且随着遮光罩支架的延展而包覆在遮光罩支架上；m≥4；
9.所述固定装置包括光学组件固定装置和遮光罩组件固定装置；望远镜固定装置用于固定折叠状态的主镜组件和折叠状态的次镜组件，所述遮光罩组件固定装置用于固定折叠状态的遮光罩支架。
10.进一步地，所述次镜本体包括次镜座和设置在次镜座内的次镜；所述次镜展开机构包括支架和第一带状弹簧，第一带状弹簧至少为四个，支架数量与第一带状弹簧相同且均布于次镜座周向外壁，第一带状弹簧一端沿周向均匀连接在基座上，另一端固连对应的支架；四个带状弹簧使次镜的自由度过定位，实现自动锁定，同时提高了刚度，使得次镜更稳定。
11.进一步地，所述子镜连接端的两侧延伸出平行的两条连接臂，连接臂底部设置有位置传感器，至少一条连接臂上设置有延长臂；
12.所述子镜展开调节机构包括第一旋转轴、第一柔性连接件、第二柔性连接件和三个压电促动器，第一旋转轴固连于两条连接臂之间，第一柔性连接件套装在第一旋转轴上，第一旋转轴上设置有第一扭簧，第一扭簧的一端扭转臂固连子镜，另一端扭转臂固连第一柔性连接件，所述第一扭簧为自然状态时，子镜处于展开状态；所述三个压电促动器包括第一压电促动器、第二压电促动器和第三压电促动器，均安装在立方星平台上，第一柔性连接件的下表面固连第一压电促动器和第二压电促动器的输出端，第二柔性连接件一端固连第一压电促动器的输出端，另一端用于在展开状态与延长臂连接；第一扭簧实现了子镜的自动展开，压电促动器实现了子镜的微调。
13.进一步地，所述每组遮光罩支架包括平行设置的两个延展支架，每个延展支架包括径向支撑杆和轴向支撑杆；
14.所述径向支撑杆包括安装底座、第一径向支撑杆、第二径向支撑杆、第三径向支撑杆以及伸展弹簧，所述安装底座设置于立方星平台内部的底面上；
15.安装底座上设置有第二旋转轴，第一径向支撑杆首端套装在第二旋转轴上，第二旋转轴还设置有第二扭簧，第二扭簧自然状态时，使得第一径向支撑杆平行于立方星平台内部的底面；第三支撑杆的末端与轴向支撑杆铰接；
16.所述第一径向支撑杆、第二径向支撑杆、第三径向支撑杆在展开状态依次连接；
17.所述第二径向支撑杆、第三径向支撑杆在收缩状态依次可滑动套装在第一径向支撑杆内，所述伸展弹簧一端固连于安装底座，另一端固连第三径向支撑杆的末端，伸展弹簧用于展开依次套装的第三径向支撑杆、第二径向支撑杆、第一径向支撑杆；
18.所述第二径向支撑杆与第一径向支撑杆之间、第二径向支撑杆与第三径向支撑杆之间分别设置有第一限位装置和第二限位装置，用于展开后的限位固定；径向支撑杆和轴向支撑杆实现了遮光罩支架的径向展开和轴向展开。
19.进一步地，所述第一限位装置和第二限位装置结构相同，均包括定位销和连接定位销的顶升弹簧；
20.所述第一定位装置中，顶升弹簧的一端固连在第二径向支撑杆的首端内壁上，所述第二径向支撑杆的首端对应定位销位置设置有径向的第一通孔，所述定位销径向探出第一通孔，所述第一径向支撑杆末端对应第一通孔设置有第一定位孔，定位销在展开状态位于第一定位孔内；
21.所述第二定位装置中，顶升弹簧的一端固连在第三径向支撑杆的首端内壁上，所述第三径向支撑杆的首端对应定位销位置设置有径向的第二通孔，所述定位销径向探出第二通孔，第二径向支撑杆的末端对应第二通孔设置有第二定位孔，定位销在展开状态位于第二定位孔内。
22.进一步地，所述轴向支撑杆在展开状态垂直于径向支撑杆，轴向支撑杆包括弹性铰链、第一轴向杆，以及依次连接的多组折叠单元；所述第一轴向杆的一端通过弹性铰链与第三径向支撑杆的末端铰接，第一轴向杆的另一端连接第一组折叠单元；
23.所述折叠单元包括依次连接的第二带状弹簧和第二轴向杆，第一组折叠单元的第二带状弹簧与第一轴向杆的另一端连接；最后一组折叠单元的第二轴向杆与遮光罩薄膜的
顶端连接；第一轴向杆的一端通过弹性铰链与遮光罩薄膜的底端连接。
24.进一步地，所述光学组件固定装置包括固定支架和锁紧释放装置，固定支架包括4个横支架，4个横支架通过4个锁紧释放装置围成矩形，用于将n个子镜固定；至少1个横支架上设有纵支架，纵支架一端固连横支架，另一端悬空，横支架与子镜背面卡扣配合，纵支架限制次镜展开；
25.所述遮光罩组件固定装置有多个，遮光罩组件固定装置为带有锁紧释放装置的环形带状装置，通过锁紧释放装置首尾连接；每组遮光罩支架的轴向支撑杆折叠后分别由遮光罩组件固定装置固定；径向支撑杆垂直于立方星平台内部的底面后，由遮光罩组件固定装置固定；相对的两组遮光罩支架的轴向支撑杆由遮光罩组件固定装置固定；所述锁紧释放装置为利用热形变自动开锁的装置。
26.进一步地，所述锁紧释放装置包括装置外壳、分离螺栓和形状记忆合金，装置外壳内设置可沿装置外壳内壁位移的移动套筒，移动套筒内设置分瓣螺母，分瓣螺母外周面设有环形凸台，移动套筒内壁设置有与环形凸台对应的环形凸起，环形凸起与环形凸台抵接使得分瓣螺母保持完整；
27.移动套筒底部与装置外壳内壁之间抵接有回复弹簧，使得移动套筒固定且分瓣螺母完整，形状记忆合金固连在移动套筒的底部与装置外壳的内壁之间；
28.所述分离螺栓穿过装置外壳与分瓣螺母的内螺纹固定；
29.当上述形状记忆合金在通电受热后收缩，带动移动套筒下移，使得环形凸起与环形凸台错位，进而使得分瓣螺母分开，分离螺栓脱落，锁紧释放装置打开。
30.进一步地，所述锁紧释放装置包括装置外壳、分离螺栓和形状记忆合金，装置外壳内设置可沿装置外壳内壁位移的移动套筒，移动套筒内设置分瓣螺母，分瓣螺母外周面设有环形凸台，移动套筒内壁设置有与环形凸台对应的环形凸起，环形凸起与环形凸台抵接使得分瓣螺母保持完整；
31.移动套筒底部与装置外壳内壁之间抵接有回复弹簧，使得移动套筒固定且分瓣螺母完整，形状记忆合金固连在移动套筒的底部与装置外壳的内壁之间；
32.所述分离螺栓穿过装置外壳与分瓣螺母的内螺纹固定；
33.当上述形状记忆合金在通电受热后收缩，带动移动套筒下移，使得环形凸起与环形凸台错位，进而使得分瓣螺母分开，分离螺栓脱落，锁紧释放装置打开。
34.进一步地，所述遮光罩薄膜为多层结构，其从外朝内依次为铝箔、硅橡胶、聚酰亚胺绸布、硅橡胶、黑色聚酰亚胺薄膜。
35.本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
36.1、本发明提供的一种可展开立方星望远镜，各部分组件安装于立方星平台上，并可以折叠收纳于立方星平台，进入太空之后再进行展开，减小了整体的体积和质量，有效降低了发射成本，并且实现高分辨率成像。
37.2、本发明提供的一种可展开立方星望远镜的子镜展开调节机构，设置扭簧实现子镜自动展开，利用压电促动器对主镜组件的子镜进行微调，结构简单，节约成本。
38.3、本发明提供的一种可展开立方星望远镜的次镜展开机构，利用带状弹簧储存的弹性势能展开次镜本体，无需安装电机控制，减轻了重量，4个带状弹簧使次镜的自由度过定位，实现自动锁定，同时提高了刚度，使得次镜更稳定。
39.4、本发明提供的一种可展开立方星望远镜的锁紧释放装置，利用形状记忆合金的形变特质，实现了锁紧释放装置的自动开锁功能，冲击小，与其他组件互不干扰，稳定性好。
40.5、本发明提供的一种可展开立方星望远镜的遮光罩支架，可折叠可展开，结构简单，利用应变能自动展开遮光罩，有效遮挡空间杂散光，利于高分辨率观测。
附图说明
41.图1为本发明一种可展开立方星望远镜实施例未显示遮光罩薄膜的展开状态示意图；
42.图2为本发明一种可展开立方星望远镜实施例显示遮光罩薄膜的展开状态示意图；
43.图3为本发明一种可展开立方星望远镜实施例的折叠状态示意图；
44.图4为本发明一种可展开立方星望远镜实施例中子镜展开调节机构的示意图；
45.图5为本发明一种可展开立方星望远镜实施例中次镜组件的结构示意图；
46.图6为本发明一种可展开立方星望远镜实施例中望远镜固定装置的结构示意图；
47.图7为本发明一种可展开立方星望远镜实施例中遮光罩支架的结构示意图；
48.图8为本发明一种可展开立方星望远镜实施例中遮光罩支架径向支撑杆与立方星平台内部连接的结构示意图；
49.图9为本发明一种可展开立方星望远镜实施例中第一限位装置的结构示意图；
50.图10为本发明一种可展开立方星望远镜实施例中弹性铰链的结构示意图；
51.图11为本发明一种可展开立方星望远镜实施例中锁紧释放装置的结构示意图；
52.附图标记说明：
53.1-子镜，121-第一柔性连接件，122-第二柔性连接件，123-第二压电促动器，124-延长臂，125-第三压电促动器，126-第一压电促动器，131-第一扭簧，132第一旋转轴，133-角接触球轴承；
54.2-次镜组件，211-支架，212-第一带状弹簧，221-次镜，222-次镜座；
55.3-遮光罩组件，301-第一径向支撑杆，302-第二径向支撑杆，303-第三径向支撑杆，311-伸展弹簧，313-第二旋转轴，314-第二扭簧，315-定位销，316-顶升弹簧，321-弹性铰链，3211-弹性杆，3212-连接件，322-第一轴向杆，323-第二带状弹簧，324-第二轴向杆；
56.4-立方星平台；
57.51-锁紧释放装置，511-分离螺栓，512-分瓣螺母，513-装置外壳，514-移动套筒，515-形状记忆合金，516-回复弹簧，52-横支架。
具体实施方式
58.下面结合附图实施例对本发明作进一步的说明。
59.本发明的一种可展开立方星望远镜，如图1至3所示，包括同轴设置的立方星平台4、光学组件和遮光罩组件3以及固定装置；光学组件包括主镜组件和次镜组件2；所述次镜组件2包括同轴设置在立方星平台4上的基座、设置在基座上的次镜展开机构，以及与次镜展开机构连接的次镜本体；所述主镜组件包括四个子镜1和对应连接于各自子镜1的子镜展开调节机构；子镜展开调节机构沿立方星平台周向均布设置；所述遮光罩组件3包括遮光罩
薄膜和四组可沿立方星平台4径向延展的遮光罩支架，所述遮光罩支架延展前安装在立方星平台4内，且延展后形成一个遮光空间；所述主镜组件、次镜组件2和立方星平台4位于所述遮光空间内；所述遮光罩薄膜折叠设置在延展前的遮光罩支架上，且随着遮光罩支架的延展而包覆在遮光罩支架上；所述固定装置包括光学组件和遮光罩组件固定装置；光学组件固定装置用于固定折叠状态的主镜组件和折叠状态的次镜组件2，所述遮光罩组件固定装置用于固定折叠状态的遮光罩支架。
60.如图4所示，子镜1的两侧延伸出平行的两条连接臂，连接臂与子镜1一体而成，避免在温差下因材料不同而形变不同步影响子镜1的面型精度，两条连接臂底部各自设置有位置传感器，用于反馈子镜1的位姿状态，其中一条连接臂固连有延长臂124；所述子镜展开调节机构包括第一旋转轴132、第一柔性连接件121、第二柔性连接件122和三个压电促动器，第一旋转轴132固连于两条连接臂之间，第一柔性连接件121通过角接触球轴承133套装在第一旋转轴132上，第一旋转轴132上设置有第一扭簧131，第一扭簧131的一端扭转臂固连子镜1，另一端扭转臂固连第一柔性连接件121，所述第一扭簧131为自然状态时，子镜1处于展开状态；所述三个压电促动器包括第一压电促动器126、第二压电促动器123和第三压电促动器125，均安装在立方星平台4上，第一柔性连接件121的下表面固连第一压电促动器123和第二压电促动器125的输出端，第二柔性连接件122一端固连第一压电促动器126的输出端，另一端用于在展开状态与延长臂124连接。子镜1的背面设置有便于固定的卡扣，第一柔性连接件121和第二柔性连接件122均设置有减重腔，减轻了整体质量。
61.如图5所示，次镜本体包括次镜座222和设置在次镜座222内的次镜221；所述次镜展开机构包括支架211和带状弹簧212，带状弹簧212至少为四个，带状弹簧212一端固连基座，另一端固连支架211；所述支架211数量与带状弹簧212相同且均布于次镜座222周向外壁，一端与次镜座222固连，另一端与带状弹簧212固连。所述第一带状弹簧212，长240mm，宽15mm，厚0.5mm，截面曲率为60
°
。
62.如图6至图10所示，所述每组遮光罩支架包括平行设置的两个延展支架，每个延展支架包括径向支撑杆和轴向支撑杆，径向支撑杆连接立方星平台4处为首端；所述径向支撑杆包括安装底座、第一径向支撑杆301、第二径向支撑杆302、第三径向支撑杆303以及伸展弹簧311，所述安装底座设置于立方星平台4内部的底面上；安装底座上设置有第二旋转轴313，第一径向支撑杆301首端套装在第二旋转轴313上，第二旋转轴313还设置有第二扭簧314，第二扭簧314使得第一径向支撑杆301平行于立方星平台4内部的底面；第三支撑杆303的末端与轴向支撑杆铰接；所述第一径向支撑杆301、第二径向支撑杆302、第三径向支撑杆303在展开状态依次连接；所述第二径向支撑杆302、第三径向支撑杆303在收缩状态依次可滑动套装在第一径向支撑杆301内，所述伸展弹簧311一端固连于安装底座，另一端固连第三径向支撑杆303的末端，伸展弹簧311用于展开依次套装的第三径向支撑杆303、第二径向支撑杆302、第一径向支撑杆301；所述第二径向支撑杆302与第一径向支撑杆301之间、第二径向支撑杆302与第三径向支撑杆303之间分别设置有第一限位装置和第二限位装置，用于展开后的限位固定。固定装置包括主次镜固定装置和遮光罩固定装置；所述光学组件固定装置包括固定支架和锁紧释放装置51，固定支架包括4个横支架52，4个横支架52通过4个锁紧释放装置51连接后围成矩形，将子镜1固定；至少1个横支架52上设有纵支架，纵支架一端固连横支架52，另一端悬空，用于将次镜组件收纳固定于立方星平台上，横支架52与子镜1
背面卡扣配合，纵支架限制次镜展开。
63.所述第一限位装置和第二限位装置结构相同，均包括定位销315和连接定位销315的顶升弹簧316；所述第一定位装置中，顶升弹簧316的一端固连在第二径向支撑杆302的首端内壁上，所述第二径向支撑杆302的首端对应定位销315位置设置有径向的第一通孔，所述定位销315径向探出第一通孔，所述第一径向支撑杆301末端对应第一通孔设置有第一定位孔，定位销315在展开状态位于第一定位孔内；所述第二定位装置中，顶升弹簧316的一端固连在第三径向支撑杆303的首端内壁上，所述第三径向支撑杆303的首端对应定位销315位置设置有径向的第二通孔，所述定位销315径向探出第二通孔，第二径向支撑杆302的末端对应第二通孔设置有第二定位孔，定位销315在展开状态位于第二定位孔内。
64.所述遮光罩组件固定装置有多个，遮光罩组件固定装置为带有锁紧释放装置51的环形带状装置，通过锁紧释放装置51首尾连接；每组遮光罩支架的轴向支撑杆折叠后分别由遮光罩组件固定装置固定；径向支撑杆垂直于立方星平台4内部的底面后，由遮光罩组件固定装置固定；相对的两组遮光罩支架的轴向支撑杆由遮光罩组件固定装置固定；所述锁紧释放装置51为利用热形变自动开锁的装置。
65.如图11所示，所述锁紧释放装置51包括装置外壳513、分离螺栓511和形状记忆合金515，装置外壳513内设置可沿装置外壳513内壁位移的移动套筒514，移动套筒514内设置分瓣螺母512，分瓣螺母512外周面设有环形凸台，移动套筒514内壁设置有与环形凸台对应的环形凸起，环形凸起与环形凸台抵接使得分瓣螺母512保持完整；移动套筒514底部与装置外壳513内壁之间抵接有回复弹簧516，使得移动套筒514固定且分瓣螺母512完整，形状记忆合金515固连在移动套筒514的底部与装置外壳513的内壁之间；所述分离螺栓511穿过装置外壳513与分瓣螺母512的内螺纹固定；当上述形状记忆合金515在通电受热后收缩，带动移动套筒514下移，使得环形凸起与环形凸台错位，进而使得分瓣螺母512分开，分离螺栓511脱落，锁紧释放装置51打开。
66.为了应对太空环境的干扰，遮光罩薄膜设计为多层结构，其从外向内依次为铝箔、硅橡胶、聚酰亚胺绸布、硅橡胶、黑色聚酰亚胺薄膜。
67.工作过程：
68.立方星发射前，轴向支撑杆的多组折叠单元通过第二带状弹簧323折叠，然后利用遮光罩组件3固定装置固定；将径向支撑杆收拢入内，并使径向支撑杆垂直于立方星平台4内部底面，利用遮光罩固定装置将四个径向支撑杆固定，四组轴向支撑杆抵接在立方星平台内。立方星到达太空后，遮光罩组件固定装置的锁紧释放装置51由于通电产生的温度变化而打开，在第二扭簧314的作用下，第一径向支撑杆301向外旋转90度，与立方星平台4平行；伸展弹簧311推动第三径向支撑杆303、第二径向支撑杆302向外延展，然后在第一限位装置和第二限位装置的作用下进行固定。同时轴向支撑杆展开，首先弹性铰链321展开，此时轴向支撑杆垂直径向支撑杆；在第二带状弹簧323折叠时储存的应变能和导向细杆作用下，第一轴向杆322和依次连接的多组折叠单元均进行伸展；遮光罩薄膜也随着遮光罩支架的延展而包覆在遮光罩支架上。同时，望远镜固定装置的锁紧释放装置51通电解锁，横支架52打开；次镜本体在第一带状弹簧212的带动下展开，四个子镜1在第一扭簧131的作用下展开，延长臂124与第二柔性连接件122位置靠近后磁性连接，通过位置传感器的反馈，分别调节三个压电促动器，实现子镜1的位姿状态调整，最终到达最佳位置，获得最佳成像质量。
69.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。