星载激光通信载荷高体分SiC/Al主镜及支撑结构设计

为了降低激光通信载荷在轨工作中空间环境对于光学系统的影响,提高通信质量以及跟踪精度,使用综合性能较好的高体分SiC/Al作为主镜材料,并通过有限元分析确定了主镜结构的几个重要优化参数。提出了一种一体式主镜柔性支撑,该结构避免了使用不同材料支撑组件线膨胀系数不匹配而产生的应力集中,提高了主镜面形的温度稳定性,并在此基础上降低了主镜及其支撑的总体质量,实现了光学系统的轻量化。仿真分析表明,该结构在重力释放条件下,主镜面形误差PV值为/52,RMS值为/275。工作环境发生4℃温度变化的情况下,主镜面形误差PV值为/11,RMS值为/71。主镜及其一体化支撑基频为208 Hz,主镜单独轻量化率为55.3%,进行一体化设计后主镜及支撑相比传统设计轻量化率为19.87%,能够满足总体指标要求。     

卡式红外光学系统光机分析及结构优化

光学仪器通常都工作在一定的温度环境中,温度变化将造成光机系统的结构尺寸以及光学介质的特性等参数发生变化。针对卡式红外光学系统工作环境温度变化范围大的特点,进行了热补偿结构设计。并利用有限元方法,对主镜及其支撑结构进行了分析,明确了导致镜面变形和结构参数变化的主要因素为大范围的温度变化。在此基础上,对支撑结构进行了改进和参数的优化设计。研究结果表明:改进后的结构是合理可行的。     

光机热集成分析法在红外光学系统中的应用

论述了温度对红外光学系统成像质量的影响.论述了光机热集成分析方法的原理和技术方法,分析了红外光学系统在温度作用下的成像质量变化.首先建立光学系统的有限元模型,进行结构分析和热分析,将温度数据传递到结构分析模型进行热弹性分析.将镜间距离变化代入光学设计软件程序,分析光学系统在温度变化后的成像质量.通过光机热集成分析,对设计参数反复修改和优化,设计满足了系统的要求.     

400 mm跟踪望远镜结构设计和分析

针对主镜口径为400 mm口径的跟踪望远镜的设计要求,提出了一种有效的结构形式。首先确定了望远镜的光学结构形式和系统参数,并将整个系统分成了几个主要组成部分。接着着重确定了主镜室的结构形式,通过优化最佳支撑位置确定了主镜的支撑结构;同时确定了次镜室以及三翼梁的结构。然后运用有限元建模、分析的方法,重点分析了反射镜的面形精度受重力变形和温度变化的影响,进行了整个望远镜系统的刚度分析和温度变化对主次镜间隔的影响。保证了主镜在极限情况下面形RMS 30/,整个系统具有较好的刚度和环境适应性。分析结果表明,反射镜支撑结构以及整个系统的设计均达到了设计要求,可以为类似结构提供一定的指导。     

薄型折反系统布局及金属主镜安装影响分析

对于含口径80 mm 的高次非球面金属主镜、主镜顶点到像面距离仅为17.5 mm 的薄型折反式光学系统,设计了带3 安装耳的主镜,并利用组件合并及周向同环交错前向安装的方式,在保证所有光机件顺利布局的基础上,有效增加了主镜镜体厚度提高了结构刚度。为分析金属主镜在安装应力下的面形,利用ANSYS 预紧力单元模拟螺钉连接的预紧力,在模态校核的基础上分析了主镜柔性支撑环板在不同厚度以及安装面不平时的波面变形。提出的轴向受限的主镜组件结构方案、安装应力变形的集成分析方法及解决方案,为提高主镜的装配面形精度以保证光学系统的成像质量提供了光机设计参考。     

地球静止轨道红外相机热控设计及验证

随着相机分辨率的提升,相机光机主体温度水平及温度稳定性要求随之提高,且红外相机需要将探测器制冷到较低温度。工作于地球静止轨道的红外相机所处空间热环境复杂,相机光学系统会长时间受到太阳照射,且无长期背阴面,为相机的热控设计带来了很大的挑战。结合地球静止轨道空间热环境特点以及相机成像需求,采用遮光罩&热门的方式有效屏蔽外部热流的影响,将主光学系统温度控制在（20±3） ℃以内,为相机每天成像时间不少于20 h提供了温度保障;采用高效隔热技术以及高效热量排散技术将探测器控制在80 K以下,满足成像模式探测器温度需求。地面试验以及在轨飞行数据表明,相机的热控设计合理可行,为后续高轨红外相机的高精度控温提供了有力支撑。     

共光路红外双波段小型化光学镜头分析与设计

针对中长波共光路小型化光学系统设计需求,建立了基于高斯光学与初级像差理论且尺寸受限下的二次成像结构光学指标分配模型。主镜因其边缘光线高度高和承担的光焦度小,其球差、色差和二级光谱是该系统像差的主要来源,为矫正二级光谱,可使用“-、+、-”结构形式的高、中、低相对色散材料的透镜组合作为主镜结构,此时主镜的残余像差较小,采用场镜降低中继镜组光线高度以及非球面矫正球差等方法平衡主镜残余像差。最后开展实例设计,对提出的小型化设计思想进行验证,设计了中波波长3.7～4.8μm、长波波长7.7～9.5μm的共光路双波红外小型光学系统,总长不大于135 mm,结构小巧紧凑,光学传函接近衍射极限,工作温度范围-40～60℃,且对温度不敏感。实现了基于二次成像结构光学指标分配模型的中长波共光路小型化光学系统分析及设计,满足中长波共光路小型化光学系统需求。     

空间相机大口径主镜支撑结构设计

空间相机大口径主镜的支撑技术一直是空间相机研制的关键技术.本文介绍了一种相机大口径主镜球铰支撑结构在研制过程中出现的镜面面形随着外界装配条件及温度的变化出现像散的问题,并通过对球铰支撑结构的分析与研究,找出球铰支撑结构的弱点,提出一种新型的柔性支撑结构,通过工程分析及优化确定了柔性支撑结构,利用各种环境试验,证明该支撑...     

深空探测遥感相机支撑结构设计

支撑结构是连接卫星与相机的关键部件，在发射和在轨环绕阶段对相机提供保护和空间应用需求。深空探测器发射阶段的振动载荷高达13 g甚至更高（地球探测为8~9 g），支撑结构既要克服剧烈振动可能造成的相机结构破坏还要保证光学系统的热稳定，具有较高的设计难度。通过分析不同支座形式的结构特点设计了刚性支座、平动支座两种不同的支座形式，从刚度和热稳定的均衡性出发将两种支座形式进行了组合设计，提出了一个刚性支座+两个平动支座的设计方案。理论分析与实验验证得到:该支撑结构的一阶频率为58 Hz，远高于整星基础频率，温降15℃仿真分析结果显示主镜偏转角为3.66，次镜及三镜相对主镜最大偏转角为7.85，均满足设计要求。振动及热平衡试验表明:相机各项指标正常。     

8～12μm波段折/反/衍混合坦克扫描物镜消热差设计

根据坦克扫描光学系统的要求,设计了一种工作于8～12μm波段,可识别2 000 m远坦克目标的折/反/衍射混合红外消热差光学系统。该系统采用新型的卡塞格林系统,其非球面主镜和次镜全部取代为球面,解决了卡塞格林系统大口径非球面主镜、次镜的高加工精度和装调难的问题;通过应用衍射元件独特的温度特性实现红外光学系统的无热化设计,设计的系统结构简单紧凑,口径大、焦距长、分辨率高,并且在-40～60℃的温度范围内成像质量接近衍射极限,满足坦克扫描系统的总体要求和像质要求。     

双通道离轴遥感相机高稳定性光机结构设计

多光谱遥感相机提供的光谱图像信息具有极高的应用价值。为突破CCD成像器件谱段数量的限制、增加单台相机的谱段数量,提出了一种双通道的解决方法。从光学系统入手,对一种双通道离轴多光谱遥感相机进行了高稳定性光机结构设计。首先,通过使用四点球头支撑技术实现了对大口径主镜的高稳定性支撑,保证了在各个工况下反射镜面形精度满足使用要求。之后,对相机的焦面组件、主框架及隔振系统进行了设计及优化,保证了双通道离轴遥感相机在提供八个多光谱谱段的同时,具有良好的结构稳定性。最后,对整个相机进行有限元分析和力学环境试验,结果表明相机具有较高的稳定性,符合设计预期。     

具备调焦功能的空间光学载荷支撑结构设计(特邀)

由于空间环境变化,高分辨率空间光学载荷在轨会产生不同程度的离焦从而影响成像质量,因此需要进行在轨调焦。为了适应高分辨率、轻小型空间光学载荷发展需求,设计了一种集支撑功能、调焦功能为一体的结构,通过热控系统对支撑结构温度的精准控制来调整次镜组件在光轴方向的位置,从而使载荷具备调焦功能。首先,根据光学系统参数进行调焦精度分析,确定支撑结构的设计要求;然后,基于连续拓扑优化中的变密度法(SIMP)进行支撑结构的全局优化;最后,开展了热光学试验,验证支撑结构的热控调焦功能并测量热控调焦系数。试验结果表明:该光学载荷支撑结构热控调焦系数为0.071 mm/℃,可实现0.014 mm调焦精度和±0.385 mm调焦范围。基于该调焦方法设计的“吉林一号”高分03星已经完成在轨测试,调焦精度和调焦范围满足设计预期。     

双波段共口径成像系统光机设计与分析

为了克服机载光电有效载荷(可见光摄像机和红外热像仪)各自独立、焦距过短的缺点,着重对可见光/红外共口径系统关键技术进行了研究。采用可见光、中波红外双波段共用主次镜的光学结构,可见光和红外焦距分别为1 500 mm和750 mm。选用合适的光学材料、合理的支撑方式,对系统反射镜支撑组件进行了静力学、动力学建模,优化了结构形式。采用光机热集成分析方法,指导、评价和优化光机系统设计过程,提高结构固有频率,增强系统热稳定性适应范围。系统结构设计基频大于200 Hz,在5 ℃均匀温变工况和重力作用下,反射镜面形PV值小于/10,RMS值小于/40,光学系统传递函数(MTF)达到0.38。结果表明,采用该方法设计的光机结构固有频率高,重力及热耦合变形、抗振性能等方面均能满足要求,系统具有良好的成像质量。     

低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析

红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度,也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于240 K的?450 mm反射镜组件进行结构设计,反射镜材料为SiC,连接件材料为殷钢,采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式,并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析,得到各参数对面形的影响曲线。优化后,反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm,径向重力面形3.710 nm,240 K低温面形5.086 nm,一阶模态277 Hz,轻量化率89.4%。     

长焦距空间相机主次镜间桁架支撑结构设计

为了满足长焦距空间相机主次镜间支撑结构高刚度、高强度、高热稳定性和轻量化的设计要求,从材料选择、结构形式、连接工艺和参数优化等方面分析了空间相机主次镜间支撑结构设计中需要考虑的问题。针对某7 m焦距,相对孔径1∶6,采用卡塞格林光学系统的空间相机,设计了一种采用碳纤维复合材料的3层27杆式主次镜间桁架支撑结构,并基于有限元法对其进行了优化设计。分析结果表明,设计的桁架结构质量减轻了38 kg,一阶固有频率可达80 Hz,在径向自重和5℃均匀温升载荷作用下,次镜最大倾角为4.6″,表明所设计的支撑桁架合理可行,能够满足长焦距空间相机的使用要求。     

大口径反射镜轻量化及其支撑结构设计

为了满足大口径(800mm400mm)矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求,采用背部3点支撑方式,基于Bipod原理,为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构。分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响,选取其中影响较大的参量作为设计变量,对镜体轻量化结构进行了优化设计,并进行了有限元分析。结果表明,优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。振动试验结果与有限元分析结果相符,证明了其准确性。     

空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验

随着空间光学遥感器地面分辨率逐步提高,长焦距、大口径相机成为重点研究方向。为了克服重力变化、复合材料变形等因素带来的天地不一致性的问题,次镜调整成为校正光学遥感器离焦和主次镜相对位置变化的关键技术之一。将次镜柔性支撑、精密直线驱动与柔性铰链传动技术相结合,设计了一套高精度次镜调整机构。首先介绍了该套机构的光机构成、工作原理及传动链路,然后对超轻次镜、高精度直线致动、高精度调焦传动等设计分别进行了阐述,最后介绍了力学环境试验后的调整精度测试情况。试验结果表明,该套精密调整机构实测调整行程大于±120μm,轴向调整步距精度0.18μm (3σ值),调整行程内次镜的最大平移误差为1.30μm,最大倾斜误差为1.93″,具有调整范围宽、调整精度高的特点,满足空间光学遥感器精密次镜调整的要求,已成功在轨应用于北京三号B卫星0.5 m级高分辨率空间相机。     

红外镜头的热光学特性分析

考虑环境温度是红外光学系统成像质量的主要影响,需要对红外镜头进行热光学特性分析。阐述了利用齐次坐标变换去除镜面刚体位移的方法,以某红外镜头为例,用有限元软件ANSYS对红外镜头进行热应力分析,并去除镜面产生的刚体位移;对处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合,将拟合后的结果代入ZEMAX进行光学性能分析。分析结果表明,热光学分析的方法可以模拟红外光学系统的实际使用条件,预测光机系统的光学性能,对进行光机系统设计具有重要的指导意义。