静电拉伸薄膜反射镜的面形分析

静电拉伸薄膜反射镜属于一种空间新概念超轻反射镜。成形控制是其关键技术,而面形分析是成形控制的基础。基于Karman方程分析了薄膜反射镜在均匀载荷作用下的面形,并推导了抛物面面形所需的非均匀载荷;对Ф300 mm口径薄膜反射镜进行了有限元建模,针对不同载荷作用下的薄膜拉伸面形进行了光机集成分析,反射镜中心挠度与理论计算吻合,反射镜在非均匀连续载荷作用下的波前差相对于均匀载荷作用降低了一个数量级,非均匀离散载荷下的面形也得到了改善。结果表明:薄膜反射镜在非均匀载荷下可以有效抑制像差并能控制薄膜成形。基于仿真结果设计了半解析薄膜反射镜成形控制的方法,为薄膜反射镜的成形控制提供了技术基础。     

中小型圆形反射镜检测支撑优化

为了优化中小型圆形反射镜在加工、镀膜、装调等阶段的检测中所需的支撑结构,以V型块支撑工作原理设计了支撑位置及支撑点夹角均可调整的分体式支撑。利用有限元方法得到TMA系统中Φ136 mm非球面次镜面形随支撑点夹角的变化趋势,并根据趋势曲线,确定支撑点夹角为100°状态下,分体式支撑结构引起的镜面面形变化最小(RMS=0.57nm)。利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对分体式支撑在不同的支撑点夹角下的镜面面形进行检测。所得结果与有限元方法得到的镜面面形随支撑点夹角变化趋势与试验结果相符,且在100°时分体式支撑引起的镜面面形变化(RMS=0.015 wave)明显优于其他角度。再以不同的镜坯材料及反射镜直径尺寸进行仿真对比,结果表明:镜面面形随支撑点夹角的变化趋势与反射镜材料和尺寸无关,趋势曲线幅值随材料弹性模量和反射镜直径改变而变化。优化得到的分体式支撑对于中小型圆反射镜具有广泛适用性。     

Slope RMS在三镜支撑设计与面形评价中的应用

针对镜面面形均方根（RMS）无法反映表面面形的空间频域特性,借鉴了国际上先进的斜率均方根（Slope RMS）作为面形评价方法。本文以2 m级望远镜三镜作为例子,将Slope RMS作为优化目标函数,计算了支撑点的位置,给出的支撑之后面形误差RMS值为6.88 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.17809 μrad。利用Zernike多项式作为面形拟合基底函数,将对成像质量没有影响的刚体位移从面形误差中分离出来,得到最终的面形误差的RMS值为3.30 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.15943 μrad。研究结果表明,以Slope RMS为目标函数优化支撑点的支撑结果位置满足光学设计的要求,对更大口径光学元件的支撑设计提供了一种指导方法。     

斜入射法检测平面反射镜的面形误差

为实现用小口径面形干涉仪完成对大口径光学镜面面形的检测,发展了斜入射检测方法,增大投射到待测镜上光斑的尺寸,从而增大干涉仪检测的镜面口径范围。推导了斜入射法检测平面反射镜面形的公式,并考虑了此方法可能引入的误差。对尺寸为124 mm×42 mm的平面反射镜分别在垂直和不同斜入射角条件下进行了测量,垂直入射时测得镜子工作表面面形起伏高度均方根(RMS)和峰谷(PV)值分别为16.3 nm和67.8 nm,斜入射时测得镜子工作表面的面形起伏高度RMS和PV值分别为16.8 nm和68.7 nm,相对误差分别为3%和0.9%,可以满足第三代同步辐射光束线的要求。     

膜基反射镜面形控制系统设计与实现

膜基反射镜的面形控制是研制膜基反射镜的关键技术之一.设计了一种基于模糊逻辑控制技术的膜基反射镜面形控制系统,包括面形设计、面形控制、面形分析和面形控制仿真等功能模块.采用Visual C#和MATLAB混合编程来实现系统功能,并在仿真系统中嵌入了ANSYS有限元分析功能.采用控制反射镜中心截面矢高的方法设计控制器,利用Zernike多项式拟合得到膜基反射镜的面形及其像差.对口径为300 mm、F15的膜基反射镜进行了面形控制和扰动响应仿真分析,最终得到面形误差RMS值为71λ(λ=632.8 nm),在相同条件下,该结果与根据薄膜大扰度形变理论得到的面形误差结果相一致.     

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ （λ=632.8 nm）的高精度要求，为模拟在轨失重状态，降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响，对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先，在反射镜分区的基础上，提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则；随后，建立反射镜的有限元模型，以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标，以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化，通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点，实现优化过程的简化；最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中，测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ，且面形分布较为一致，说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效，为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。     

温度梯度对大口径反射镜热稳定性公差的影响

为了研究温度对大口径SiC反射镜镜面曲率半径和面形RMS值的影响,针对某空间相机2 m口径SiC主反射镜建立了有限元模型,分析了均匀温度场、轴向温度梯度以及径向温度梯度对反射镜曲率半径变化量和面形RMS值的影响程度和规律,通过理论分析和试验验证了仿真结果的准确性。结果表明:温度梯度对反射镜曲率半径和面形RMS值的影响远远大于均匀温度对其的影响,曲率半径变化对轴向温度梯度最为敏感,面形RMS值对径向温度梯度最为敏感。1℃轴向温度梯度引起的曲率半径变化比相同均匀温升引起的曲率半径变化量大48倍。1℃径向温度梯度引起的面形RMS值可比相同均匀温升引起的面形RMS值大202倍。在确定反射镜热控指标时,必须考虑轴向温度梯度和径向温度梯度对稳定性公差的影响。     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

空间遥感相机大口径反射镜结构优化设计

为满足大口径反射镜在复杂空间环境下对高面形精度和热稳定性的要求,针对某Φ660 mm口径反射镜进行了轻量化研究。提出了一种采用经典理论公式创建反射镜初始结构,结合灵敏度分析和参数优化进行综合设计的方法。首先构建了反射镜参数化模型,采用灵敏度分析研究镜体结构参数对面形变化的影响规律,找到对镜面面形RMS值灵敏度高的结构参数进行优化迭代。相比于传统反射镜结构设计方法,此方法缩小了优化设计空间,节约了计算成本与时间,能够在设计空间内全局寻优,较快收敛于最优值。优化后反射镜在自重载荷工况下镜面面形PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40(λ=632.8 nm),镜体质量为13.6 kg,轻量化率达78.4%。镜体组件一阶频率为121 Hz,满足反射镜动态刚度要求,根据优化后的结果建立了反射镜的最佳结构模型,并进行了投产制造。     

空间相机快速反射镜的结构轻量化设计

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。     

极轴式望远镜主镜支撑结构对镜面变形的影响

根据极轴式望远镜的工作特点,以口径为700 mm的极轴式望远镜主镜室系统为例,确定了一套主镜支撑方案。借助于有限元分析软件MSC.Patran详细地建立了系统的有限元模型,选取多种工况,分析了系统在自重作用下的镜面变形情况,绘制了镜面变形误差PV值和RMS值的变化曲线。结果表明:镜面变形主要受角的影响,随着的增大而减小,径向支撑效果优于轴向支撑效果,镜面变形误差满足设计指标要求。在主镜室系统竖直放置时,利用Zygo干涉仪测得带支撑结构的镜面变形误差RMS值为28.48 nm,表明主镜在该支撑结构作用下的面形接近于加工检测时的状态,同时也验证了有限元模型的准确性。     

空间稳像系统摆镜设计与仿真

摆镜作为稳像系统核心部件,摆镜单元的性能参数和外载荷对摆镜面形的影响为摆镜设计和装配的主要约束条件。在设计约束基础上,对摆镜及其装卡结构材料进行了选择,对结构进行了轻量化设计。为考察外载作用对摆镜面形影响规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜组件进行了仿真,使用基于Zernike多项式的光机集成仿真方法消除刚体位移,得到了消除刚体位移后摆镜面形参数。仿真结果表明:外载作用下摆镜刚体位移明显;预紧力作用下刚体平移占据了刚体位移的主要方面;动力载荷作用下,当重力存在于光轴方向时,静力载荷对摆镜面形起主要作用,否则动力载荷对摆镜面形起主导作用。在仿真数据基础上,对摆镜零件进行了加工和装配,对装配后摆镜进行了面形测试,测试结果表明:摆镜面形能够满足设计要求,也说明了摆镜结构设计的合理性和仿真方法的有效性。     

长条形反射镜支撑结构设计与分析

为了降低航空光电侦察设备的整体质量,减小反射镜在复杂航空环境下的面形变化,利用有限元方法对某长条形反射镜组件结构进行了优化。首先,计算轻量化反射镜所需的支撑点数量,并对支撑点的位置进行优化。接着,为了解决温度变化时组件材料线胀系数不匹配带来的热变形问题,在支撑结构中引入了柔性铰链,并对柔性铰链参数进行了优化。最后,对反射镜组件进行面形精度分析,得到反射镜RMS为20.3 nm,小于1/30(=632.8 nm);对组件进行模态分析及试验,得到一阶固有频率分别为138 Hz和162 Hz,满足设计指标要求,分析及试验结果表明了该反射镜的支撑结构合理可行。     

地基望远镜风载数值分析

风载是影响地基望远镜性能的主要因素之一,为了研究风载荷的作用以及对望远镜性能的影响程度,首先建立了望远镜、圆顶和流场的几何模型。然后利用CFD(Computational Fluid Dynamics)分析了在外界风速为10 m/s 的情况下,3 种不同高角(30、60、120)流场中截面空气速度、压力、湍流动能以及主镜面的静压力的瞬态分布,最后通过有限元方法获得了主镜去除刚体位移后的面形。仿真结果表明,望远镜以不同高角观测时主镜面静压力功率谱密度与Gemini 望远镜的实测结果接近,真实模拟了风载荷的作用。由风载引起的镜面变形RMS 值分别为3.74E-1 nm,2.5E-2 nm,1.71E-1 nm,满足面形精度要求。     

2m主镜主动支撑优化设计

结合某空间光学系统的任务需求,对其2m口径主镜的支撑难点作了详细的论述。为了使主镜达到光学设计所要求的面形精度,运用了结构有限元法和优化设计方法对主镜进行了支撑位置优化;并分别针对主镜轴向1 g 重力载荷、轴向1 g 重力载荷耦合1℃均匀温升两种工况,以主镜镜面RMS 为目标函数、力驱动器驱动力为优化变量进行了多参数优化。通过优化获得了最佳的驱动力组合,镜面RMS 分别达到19 nm、43 nm。该方法具有一定的应用价值。     

中心支撑长条形反射镜轻型优化设计

针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式,不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量,而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法,提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构,克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能,并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明,中心支撑的反射镜质量更轻（3.36 kg）,与实体反射镜相比,轻量化率达到了87%,组件质量也较三点支撑减小了24%;在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm,优于三点支撑形式;4℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm,远小于设计要求的RMS 12 nm;反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz,重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 m。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时,保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度,满足设计要求,为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。     

一体化铝合金反射镜的拓扑优化设计与分析

针对口径为300 mm的一体化铝合金反射镜进行了拓扑优化设计,在反射镜光轴方向的自重载荷下,以整体柔度作为约束,反射镜最小体积作为目标进行迭代优化,得到了拓扑优化结果模型,根据其特征建立了实体模型并进行了参数优化,最终得到了总质量为2.08 kg、面形均方根RMS(Root Mean Square)为5.9 nm、轻量...     

大口径反射镜水平集拓扑优化设计

为了设计适用于空间望远镜的具有质量轻、刚度高、高面形精度特点的大尺寸反射镜,提出了基于水平集方法的反射镜拓扑优化设计方法。首先,在口径1 m反射镜镜体初始结构模型的基础上建立有限元模型,基于SIGFIT采用DRESP2建立面形RMS的目标响应函数,将镜面面形精度直接作为目标函数,在重量约束条件下,基于变密度算法与水平集拓扑方法分别进行优化设计,并基于OSSmooth功能对设计结果分离阈值进行研究。通过对优化模型分离阈值进行分析,得到最优化的输出结构模型。采用水平集方法的拓扑优化设计方法的中间密度单元格数目远小于变密度方法,输出结构边界连接性更好。优化模型面形RMS值小于/50（=632.8 nm）,满足设计指标。