大口径轻量化主镜边缘侧向支撑的优化设计

对大口径主镜的侧向支撑结构进行了优化,以便最大限度地降低重力作用下的镜面变形。首先,从理论上给出了一种优化主镜边缘侧支撑结构的判据和思路,然后,引入边缘切向剪切侧支撑原理,阐述了这种支撑形式的优化思想和优势。以口径为2060mm的扇形轻量化主镜作为分析实例,采用16个边缘离散支撑点,优化设计等角间距侧向支撑,并针对轻量化主镜的结构特点和等角间距支撑下支撑力值相差较大的缺点,将等角间距改为不等角间距侧向支撑,分析推导了相应的支撑力公式。结果显示,改进后的支撑形式提高了系统的支撑刚度,镜面变形由原来的1.723nm降为1.633nm。所研究的边缘切向剪切支撑方式很大程度上保证了主镜镜面面形,对不同口径的扇形孔轻量化主镜的设计有普适性。     

1m望远镜主反射镜的支撑和装配

考虑大口径光学望远镜中主反射镜的支撑精度直接影响光电探测设备的整机性能,本文根据光学系统对口径为1 000 mm的主镜的支撑精度要求和光电设备中主镜的使用情况,采用轴向和径向组合支撑的结构形式来完成对主镜的支撑,并通过有限元法对支撑位置进行理论分析和计算.实验显示,在轴向18点浮动支撑、径向3点柔性支撑的情况下,主镜能够达到较高的面形精度.针对传统装调工艺不能获得理想的面形精度,探索了新的主镜装调方法.用干涉仪对带有支撑的主镜进行实时测量并进一步进行修磨,使主镜在装配完成后达到λ/18的面形精度.该方法满足了本项目的指标要求,也为更大口径主镜的装调提供了一种新的思路.     

1m口径微晶玻璃主镜的单芯轴支撑方法研究

传统经纬仪主镜支撑主要利用侧支撑和底支撑共同支撑的方法,该种方法支撑结构复杂,装调过程繁琐时间周期较长,为了克服传统方法的缺陷,提出了全新的利用单芯轴支撑的方法。对单芯轴支撑方法的主镜结构,轻量化方式,支撑结构,面形精度(RMS)等进行分析,判断单芯轴支撑方法的可行性。首先制定了指标要求并且详细分析了传统方法的缺点产生的具体原因,接着根据指标质量及工程中光学设备所用胶合剂参数计算主镜的极限值胶粘面积。然后通过改变主镜结构参数,分析选用参数(加强筋个数,加强筋厚度,镜面厚度)与面形精度之间的关系,分析各种情况下的主镜镜面变形原因得出变形云图并针对性的修改主镜结构参数直至满足指标要求得到满足单芯轴支撑结构的主镜形式。最后,得出最终主镜形式及支撑结构形式。最终获得轻量化率为26.0%,光轴竖直时镜面面形精度RMSV=6.24nm(λ/101,λ=632.8nm),光轴水平时为RMSH=11.25nm(λ/56)的主镜轻量化结构。主镜结构设计满足指标要求,单芯轴支撑方法可行。     

海洋光通信系统光学天线主镜柔性支撑设计

为了使海洋光通信设备主镜组件同时满足高刚度和良好的热尺寸稳定性要求,文章针对海洋光通信设备主镜的柔性支撑进行了优化设计。根据主镜组件的结构特点,制订了柔性支撑设计方案;通过设置柔性铰链的圆弧长度、径向最薄处厚度,设计了主镜柔性支撑;最后,结合有限元分析技术,对主镜组件进行了主镜面形精度、主镜组件刚度和接触应力的仿真分析。结果表明,依据各参数的变化证明了柔性支撑设计方案是合理可行的。     

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。     

可见光粗跟踪成像镜头光机结构设计

为某在研地基光学望远镜设备设计了300 mm口径的可见光粗跟踪成像镜头的光机结构。采用弯月形结构优化使主镜重量减少了41.2%。针对传统胶粘接固定结构的不足提出了采用弹性压紧方式的主镜支撑结构,采用Patran有限元仿真软件对不同倾角、不同温度状态下,带支撑的主镜面形精度进行了分析;制定了装调方案,室内采用Zygo干涉仪检测带支撑的主镜面形精度检测结果为0.04λ(RMS),可见光波长λ的设计参考值为0.633μm,长焦端和短焦端的系统波像差均为0.132λ(RMS);室内采用平行光管进行星点检验、分辨率检验和外场对北极星成像试验结果显示,系统成像质量满足设备要求;验证了主镜支撑结构和镜头光机结构设计的合理性,为研制同类型镜头的光机结构提供了设计依据和技术途径。     

1.5m口径空间相机主镜组件的结构设计

研究了1.5m口径空间相机反射镜组件的结构,设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料,分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数,得到了重131.9kg,轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上,设计了主镜支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后,利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明:主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8nm),(20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内,主镜组件一阶固有频率为95.8Hz,有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。     

大口径主镜的侧向定位系统

针对采用Whiffletree式底支撑和推拉平衡重式侧支撑的大口径主镜在主镜室中的准确定位,基于运动学约束原理提出了一种大口径主镜侧向定位方法。介绍了运动学约束的基本原理,提出了一套主镜侧向定位系统实现方案,包括定位点位置的选取、柔性铰链和定位基座的设计,并设计了一种侧向定位系统。利用有限元方法,分析了设计的侧向定位系统对大口径主镜系统的位置、谐振频率和镜面面形精度等方面的影响。结果表明,使用该侧向定位系统的整个主镜系统谐振频率达到13.6Hz,光轴水平时主镜沿Y轴方向的平均位移为-355.863nm,镜面面形未受影响,所有指标均满足设计要求。实验结果验证了提出的主镜侧向定位系统设计方案对大口径望远镜主镜的支撑和定位系统设计具有工程指导意义。     

空间相机中主镜的轻量化技术及其应用

对空间相机主镜的轻量化技术作了全面的总结和概括,阐述了主镜轻量化技术的一般考虑,总结了轻量化技术中主镜口径确定、材料选取、结构形式、基体形状、支撑方式、支撑装置的结构形式、热稳定措施及CAD/CAE应用。最后给出了主镜轻量化的典型应用实例,对其进行了光机热综合评估。     

620mm薄镜面的主动支撑结构及面形校正

为了提高大口径薄镜面望远镜主镜在不同俯仰角度的支撑面形精度,采用模态振型模式定标实时对主镜面形进行了主动校正.针对口径为620 mm,厚度为18 mm,底支撑采用36点主动支撑,侧支撑采用6点切向被动支撑的薄镜面主动支撑系统,分析了主镜自由振动时的模态振型;在进行主动校正前将其前10阶模态振型的RMS值归一化为1000...     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

大口径空间遥感相机主反射镜支撑设计

为降低外界载荷对空间遥感相机主镜面形精度的影响,提出采用不同的柔性环节独立约束主镜自由度的设计思想。通过运用CAD工程分析软件进行主镜系统动、静态特性及热特性的仿真分析,并在此基础上对主镜系统中柔性环节的结构参数进行修正,在保证支撑刚度的前提下降低由于重力、装配应力及温度变化对面形的影响,并可承受发射过程中的冲击和振动。     

4mSiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力（β=0.5）支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30（λ=632.8 nm）的指标要求。     

1.2m微晶主镜的新型支撑

针对1.2m微晶主镜,提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案,用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。分析了该机构的工作原理,实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度,并具有热解耦能力;有限元分析确认系统具有良好的支撑性能;面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25nm,光轴水平面形精度RMS为20.75nm,模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度,分析结果与实测结果符合度较好,主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%,一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性,支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。     

1.3 m主镜的支承设计

依据1.3 m主镜支承的技术要求,完成了支承结构的设计分析。确定了有中心定位的底面18点支承和侧面水银带支承的技术方案。对于结构复杂的轻质镜,依据均衡原理,利用结构分析并结合插值算法确定了底支承18点的支承位置;在给出了具体底支承结构设计后,对底支承的结构变形和结构设计允差进行了分析。根据主镜立放状态下的受力分析,给出了3个水银带侧支承的设计变量,最终依据镜面Z向变形最小的原则和12种工况下有限元的分析结果,确定了水银带侧支承的设计。在中心定位设计中,考虑到温度变化的影响,选用了特殊的殷钢材料。在具体结构设计中,为减小支承球头与主镜直接接触的不利影响,在支承球头和主镜之间增加了过渡轴套。用Zygo干涉仪检测了装配完成后的主镜,主镜镜面变形PV值为0.7 λ,RMS值为0.15 λ。该支承结构基本满足了设计要求,且结构稳定可靠。分析可知,主镜的厚度可以再适当减薄,进一步减轻重量。     

新型轻质大口径空间反射镜支撑设计

摘要：随着空间反射镜口径的增大,光学系统总质量随之剧增,这与当前光学遥感器轻小型化的发展趋势相矛盾。为了更好的满足空间光学遥感器发展的需要,文章从主反射镜组件的轻质化设计入手,从结构材料热匹配的设计、主镜轻量化形式的确定以及支撑结构的合理设计三个角度系统地进行了一体化结构—热设计。针对某型卡塞格林系统Φ630mm口径主镜进行了轻质化设计,三点为主多点为辅的支撑方案在保持组件结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。在综合考虑加工和工作状态后,最终确定了一种满足设计要求的整体优选方案,经最终分析计算确认,主镜组件镜面综合面形误差PV值均小于λ/10,各项指标完全满足光学系统对主反射镜的设计要求。     

基于有限元分析的长条状主镜支撑结构设计

从满足空间望远镜主镜在复杂工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了大尺寸长条状主镜组件材料和主镜结构的选择确定原则;采用理论分析与有限元计算工具相结合的手段,对主镜支撑结构进行了分析与设计.分析计算表明,若主镜组件采用刚性支撑设计,主镜综合面形误差将远远超出设计要求;而采用柔性支撑设计,当柔性支撑筋板高度取46 mm、厚度取1.7 mm时,主镜组件的动态刚度可达97.4 Hz;镜面综合面形误差分别达到63.1 nm、39.3 nm和59.6 nm;主镜组件最大变形分别达到24.6 μm、21.4 μm、7.4 μm,各项指标满足设计要求.平衡稳定性校核表明,当空间相机发射时,柔性支撑筋板不会发生失稳.     

大口径空间光学遥感器的碳纤维复合材料精密支撑构件的结构稳定性研究

摘要：为了研究应用于大口径空间光学遥感器中由碳纤维复合材料（CFRP）制成的精密支撑构件的结构稳定性,设计并研制了连接在主、次镜间的CFRP连接筒。对该连接筒建立等效力学模型、计算相关参数和确定铺层的合理形式,运用有限元法对连接筒进行分析计算,通过试验验证连接筒的结构稳定性。首先,由给定的主、次镜间角度变化量计算出连接筒前端面的最大挠度,根据实际载荷情况建立等效力学模型,计算连接筒轴向弹性模量,结合复合材料层压板理论,确定碳纤维铺层的合理形式。然后,运用ANSYS软件对有限元模型进行分析,计算主、次镜间的角度变化量和支撑结构的模态分布。最后,通过量级逐增的力学试验,采用光学测量的方法测量主、次镜间角度变化量,验证CFRP连接筒的结构稳定性。试验结果表明：主、次镜间角度变化量小于10″,CFRP支撑构件一阶基频大于75Hz。CFRP支撑构件满足主、次镜间角度变化量要求,具有较好的结构稳定性。