快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置, 而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象, 设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构, 该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程, 建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型, 针对快速反射镜机构的谐振频率要求, 选择了柔性铰链的主要结构参数, 并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析, 分析结果表明, 快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz, 而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上, 证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性, 加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台, 对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测, 检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求, 提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象, 设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构, 并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法; 分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案, 有限元对比分析的结果表明, 采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉, 镜面面形精度较高, 并且由于结构简单, 其摆动组件的总质量更轻; 为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能, 同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标, 对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化, 优化结果显示, 加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大; 最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g, 结构的一阶谐振频率为217 Hz, 在-8 ℃温度载荷的作用下, 镜面面形的RMS为7.26 nm, 满足设计要求的同时, 反射镜实现了40.4%的轻量化率。