空间遥感器反射镜组件的设计与有限元分析

针对某空间遥感器反射镜的设计指标要求,分析并优化了反射镜的支撑形式和结构参数,得到了质量为23.7kg,轻量化率达到76.2%的反射镜结构。在反射镜基本构型确定的基础上,设计了镜体的支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了反射镜结构系统的动静态刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元软件ABAQUS对反射镜组件进行了精确有限元分析,分析结果表明,在1g重力作用下反射镜的面形精度RMS达到3.66nm,在4℃均匀温升载荷作用下反射镜的面形精度RMS达到4.16nm,在1g重力和4℃均匀温升载荷耦合作用下反射镜的面形精度RMS达到5.51nm,反射镜组件的一阶固有频率为137.51Hz。得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求。     

基于组装式望远镜的子镜模块结构设计

在轨组装空间望远镜是将望远镜进行模块化,模块通过一次或多次发射送入预定轨道,并在轨道上完成整机组装、调试。组装式空间望远镜的主镜由多个子镜模块阵列拼接而成,基于1 m口径空间组装望远镜地面原理演示样机,对望远镜子镜模块进行设计,设计内容包括子镜的镜体支撑、促动器的装配方法等,采用有限元数值模拟分析手段对设计结果进行了仿真验证,然后对子镜模块实物进行了相关测试。结果表明,子镜反射镜的面形精度RMS优于0.02λ,两组子镜的共焦共位相拼接精度为0.023 5λ,支撑结构设计合理、效果良好,满足使用需求。     

一种空间遥感器反射镜柔性支撑结构

设计了刚度高、热适应强的反射镜柔性支撑结构。通过有限元模型分析,该支撑结构中的反射镜在±10℃的环境温度变化下,其反射镜面形精度RMS值达到1/50λ(λ=632.8nm)。     

长条形空间反射镜镜体及其支撑结构设计

为了满足长条形空间反射镜的设计要求,从结构材料的选择、镜厚比确定、支撑方式与最佳支撑点位置的选择以及镜体轻量化等方面进行了详细的镜体结构设计。设计了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足温度载荷与装配误差0.05mm工况下镜体面形精度的要求。利用有限元分析软件对反射镜组件进行分析,反射镜组件在Z向1g重力、4℃温升以及0.05mm强制位移三种工况耦合作用下的面形误差峰谷值PV为20.5nm,均方根值RMS为4.75nm,优于PV值小于λ10,RMS值小于λ50的设计指标。组件一阶频率141.83Hz,满足动态刚度要求。组件分析结果表明,反射镜及其支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

中心支撑式铝合金反射镜组件优化设计

为了满足光学系统在复杂环境下具备高成像质量的要求,结合有限元手段和优化方法,设计了一种具有柔性环节的中心支撑反射镜组件结构。首先,从反射镜组件的材料选取入手,结合反射镜组件结构包络要求及理论计算结果,完成反射镜组件初始结构设计;其次,利用有限元方法,对反射镜组件模态和面形精度展开研究;最后,利用优化方法,以反射镜组件柔性槽尺寸及反射镜背部支撑厚度为设计变量,以反射镜组件一阶频率和镜面面形为优化目标,对反射镜组件初始结构进行优化设计。结果表明:优化后反射镜镜组件一阶频率为230.1 Hz;多工况下,反射镜反射面面形优于1/55λ(λ=632.8 nm),满足结构设计要求,可为成像光学系统反射镜结构设计提供参考。     

空间相机反射镜支撑结构的设计与分析

利用有限元法对反射镜组件在自重和均匀温升作用下的面形精度进行了计算,分析结果预示最初的模型不能满足设计要求.为了提高反射镜的面形精度,把增加支撑结构的柔性作为修改方向,经过计算确定柔性结构设计变量L为3mm时的结构方案能够满足反射镜的面形精度要求.同时为了校核这个结构的强度和刚度,对工为3mm时的结构进行了模态分析和在预示载荷作用下的频率响应分析和准静态分析,结果表明,该方案完全能够满足整个结构的刚度和强度设计要求,从而为空间相机的设计提供了有利依据,同样为其他空间相机反射镜支撑的设计提供了参考.     

碳纤维复合材料的智能复合反射镜技术研究

随着望远镜光学口径的不断增大,为了最大限度地降低光学镜面重量,精简镜面支撑结构,提出了基于CFRP复合材料的智能反射镜技术,从技术层面分析了该技术的可行性及发展前景。文章具体从智能反射镜组成和主动面形校正原理出发,推导了智能反射镜面形校正模型的建立及面形优化的数学模型,对复合反射镜镜体的制备工艺、加工方法以及哈特曼波前检测技术进行了详细的介绍。深入开展该项技术研究对空间和地面大口径望远镜的发展具有的重要的意义。     

30m望远镜三镜系统初步设计与分析

为保证30 m望远镜(thirty-meter telescope,TMT)聚集的光线顺利进入各个终端设备,设计了一套适用于30 m望远镜的精密跟踪指向三镜系统.该系统包含有基于Whiffle-tree原理的三镜支撑系统设计和采用地平式结构的跟踪指向系统设计2两个部分.通过参数化建模手段,在ANSYS中建立了系统的详细模型,联合Matlab完成了98个主要工况下的静力学分析后,对镜面面形结果以及结构变形情况进行了统计总结.最后将面形误差引入到ZEMAX中,分析了三镜面形变化对光学调制传递函数的影响.结果表明:98个工况下三镜位置与理想位置最大偏差为1.28 mm,系统的第一阶谐振频率为15.1 Hz,各工况下三镜面形精度均满足指标要求.三镜面形误差对系统MTF影响较大,但通过主镜主动光学校正后可以明显提高成像质量,满足使用要求.通过分析可知,该方案能够满足30 m望远镜项目的需求.探索与解决巨型望远镜的这些技术问题能够大大提高中国在超大口径光学望远镜上的设计和制造能力,并为建设中国下一代巨型望远镜积累丰富的经验.     

一种基于有限元分析的柔性支撑结构设计

为了满足反射镜较高的面形精度要求,提出了一种基于有限元分析的柔性支撑结构.首先根据反射镜的设计要求确定柔性支撑的结构形式,然后利用有限元分析软件对反射镜组件进行网格划分并提交运算.分析结果表明,当柔性支撑中镶嵌件膜片厚度为1.5mm、柔性杆十字槽厚度为4mm时,反射镜组件的一阶谐振频率达到206Hz,在1g重力作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到2.5nm、4.4m、25.3nm,在1g量力和4℃温升共同作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到15.2nm、17.7nm、28.5nm,各项指标均满足设计要求.动力学响应分析表明,柔性支撑具有较强的抗振能力.     

望远镜主镜柔性侧支撑机构设计研究

侧支撑是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,侧支撑机构具有结构复杂、精密性高、运动量微小、无污染等特点,其性能优劣直接影响望远镜的成像质量甚至主镜自身安全。相比于传统机械式铰链机构,柔性结构具有体积小、无摩擦、无间隙以及无需润滑等优点,更加适用于大型望远镜主镜侧支撑机构。本文通过对柔性结构柔度矩阵的分析,利用等效弹性模量方法降低柔性结构设计及分析难度;针对一种基于运动学平衡原理的柔性侧支撑方式,通过等效弹性模量方法优化柔性结构尺寸,以满足大型望远镜主镜对于侧支撑机构的面形精度、定位精度、热匹配能力、固有频率的技术要求。     

基于展开式望远镜的次镜调整结构设计

次镜作为展开式望远镜系统的重要光学组成部分,其位置姿态精度直接影响着成像质量的优劣;针对展开式望远镜系统次镜的五自由度位姿调整性能及精度要求,设计了一套由二自由度调节平台与三自由度倾斜调节机构组成的五自由度调整机构,将压电驱动下的柔性微动机构应用于对次镜XY向的精密调节之中;利用理论建模与有限元工程分析相结合的研究方法对压电精密驱动柔性平台动态驱动特性、承载性能进行分析;结果表明,所设计的五自由度调整平台能够满足次镜所需调节精度要求,具有实际意义。     

中波红外发射系统光机结构设计与主镜的分析和检测

激光准直扩束系统被广泛应用在光通信、光测量等领域,可实现对出射激光准直和扩束,减小激光发散角,增强远场激光辐射强度。根据设计要求和光学系统特点,设计了口径为290mm的卡塞格林式中波红外发射系统,设计了主、次镜装调结构,并完成主镜支撑结构、次镜支撑结构、透射目镜支撑结构及其他部分的结构设计。用ANSYS Workbench对主镜支撑结构进行分析。主镜面形精度采用ZYGO干涉仪进行波像差检测,得到RMS为0.047λ(λ=4.7μm)。结果表明,设计的中波红外发射系统满足准直扩束系统对像质的要求,可实现出射激光的准直和扩束,且结构简单,易于加工装调,具有较高实际应用价值。     

Optimum design of lightweight silicon carbide mirror assembly

According to the design requirement and on the basis of the principle that the thermal expansion coefficient of the support structure should match with that of the mirror, a lightweight silicon carbide primary mirror assembly was designed. Finite element analysis combined with the parameter-optimized method was used during the design. Lightweight cell and rigid rib structure were used for the mirror assembly. The static, dynamic and thermal properties of the primary mirror assembly were analyzed. It is shown that after optimization, the lightweight ratio of the silicon carbide mirror is 52.5%, and the rigidity of the silicon carbide structure is high enough to support the required mirror. When temperature changes, the deformation of the mirror surface is in proportion to the temperature difference.     

基于ISIGHT平台的大型空间望远镜主镜主动光学系统研究

为了实现大型空间望远镜的高成像质量,建立了主镜主动光学系统模型。对主镜面形校正的算法、主镜面形校正的精度以及主镜面形校正能力等进行研究。首先,对主镜面形校正的算法进行研究。对主镜的镜体结构和支撑方案进行设计,建立了主镜有限元模型。构造了单位主动力矩阵和主镜面形响应矩阵。采用广义逆矩阵法求得了主镜面形校正矩阵。接着,采用多学科分析平台Isight建立主镜面形校正精度模型,以慧差为例,分析了主镜面形校正的准确性。最后,采用Isight平台建立了主镜面形校正能力分析模型,以低阶像散为例,分析了在促动器最大调整力为100N时,主镜面形的校正能力。分析结果表明：主镜慧差的校正精度为4%;力促动器能校正0.467个波长的像散。主镜面形校正算法及模型基本准确,可用来进行主镜面形校正。     

一种原理新颖的平整度测试仪

本文介绍一种以作者提出的掠射式镜面莫尔轮廓法的原理为依据而设计的镜面平整度测试仪。文中介绍了基本的光学原理以及能产生很大的放大系数以至在全场可达到微米级精度的条件。解释了仪器的结构及利用此仪器检测不同面形试件时所特有的条纹形状。最后提供由该器所获得的球镜面及硅片的条纹照片。     

基于软件设计的空间望远镜主镜力促动器控制系统

设计了一种基于软件的力促动器控制系统,并进行了实验测试。控制器的设计由上位机软件实现,采用了外环力环与内环位置环的双闭环控制策略,内环位置环能抑制其内部各个环节扰动的影响,增强了外环力环的抗扰动能力,控制算法采用PID算法实现。根据项目要求,设计了由直流电机驱动谐波减速器,带动精密丝杆转动,力传感器实现闭环控制的力促动器结构。通过上位机软件控制电机的转动,产生较正主镜的力。实际测试结果表明:该控制系统动态响应快,超调量小,具有较好的动态特性;在±200N测量行程内,抗干扰能力强,精度优于0.05N,具有良好的线性度和响应特性,满足主动光学支撑系统的要求。