大口径SiC轻量化反射镜组件的结构设计

针对某空间相机1.1 m口径反射镜的光机结构设计任务,为降低反射镜的重量,提高其环境适应性,设计了一种重力变形小、抗振性强、热尺寸稳定性高的空间反射镜结构系统。首先,详细分析了反射镜及支撑结构选材依据及应考虑的主要因素。然后,提出一种背部半封闭式扇形轻量化孔的反射镜轻量化结构方案,并利用参数化建模分析的方法对其结构参数进行了优化设计。采用背部三点柔性支撑方式对反射镜进行支撑,通过柔性铰链的柔性来调节由于装配中的过定位和热环境变化导致的反射镜面形精度降低问题。最后,对反射镜组件的力学和热特性分析结果表明,反射镜在X向1 g重力作用下反射镜面形精度PV为62.4 nm,RMS为5.7 nm,在20±4℃环境温度变化范围内面形精度达到PV为61.7 nm,RMS为6.3 nm,反射镜组件基频为150 Hz,能够满足静态刚度、动态刚度和热尺寸稳定性的设计指标要求。     

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。     

长条形空间反射镜轻量化及其支撑结构设计

为保证空间反射镜在空间应用环境中保持高位置精度和面形精度,实现良好成像,从结构材料的选择、反射镜轻量化设计及支撑结构设计三个方面对某长条形空间反射镜进行了详细的结构设计。提出了一种底面局部开口、三角形加强筋的轻量化形式,反射镜采用背部三点支撑方案,通过合理设计柔性支撑结构参数,使反射镜保证了高刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元法对反射镜系统进行了静、动态特性和热特性分析。分析结果表明:自重及5 ℃均匀温变载荷工况下,反射镜面形精度达到λ/10 PV,λ/50 RMS（λ=632.8 nm）;反射镜组件一阶固有频率230 Hz,具有足够高的动静态刚度和热尺寸稳定性,满足空间应用要求。     

长条形空间反射镜组件轻量化结构设计

针对某700 mm×249 mm长条形空间反射镜组件结构设计要求,对反射镜及其支撑结构进行了详细的光机结构设计。首先,从反射镜材料选择、径厚比、支撑方案及轻量化形式等角度出发,对反射镜进行结构设计。通过理论计算得到长条形反射镜的支撑点数。对支撑点位进行了优化,并探索了支撑孔位对反射镜自重变形的影响规律。其次,为满足反射镜组件的力、热环境适应性要求,设计了一种新型柔性支撑结构,并给出了柔性铰链薄弱环节对反射镜面形精度的影响;对支撑结构安装位置深度进行优化,给出反射镜面形精度关于支撑结构安装位置的变化曲线。然后,对反射镜组件进行了有限元分析,自重和5 ℃温升载荷工况下,反射镜面形精度峰谷（Peak Valley,PV）值和均方根（Root Mean Square,RMS）值最大分别达到58.2 nm和12.3 nm;反射镜组件一阶固有频率为259 Hz,低频正弦扫描振动条件下柔性支撑最大应力响应为138 MPa。最后,进行了动力学试验测试。测试结果表明,反射镜组件一阶固有频率为255 Hz,有限元分析误差为1.7%。分析和试验结果表明,反射镜组件结构设计合理,满足设计指标要求。     

空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用

空间相机反射镜尺寸和质量对系统的光学性能、机械性能和热稳定性等具有重要影响,因此对其进行轻量化设计具有重要意义。文中从材料的选择、背部基体形状、轻量化孔形式、支撑方式对某空间大口径反射镜进行了详细的结构设计,采用理论论述与有限元分析相结合的方法,提出了一种背部开放式、三角形孔的轻量化结构形式,通过合理设计反射镜支撑点数目和位置,使反射镜组件在重力工况下,镜面面形精度达到成像质量要求,即PV值不大于63.2 nm。     

小型反射镜中心支撑技术

所述空间遥感器反射镜的工作温度为18±15℃,要求反射镜在此复杂工况条件下满足设计要求.介绍了反射镜材料和支撑结构材料的选择;对反射镜的支撑方式、轻量化等方面进行了分析讨论;根据反射镜柔性支撑结构的设计原理,采用CAD/CAE工程软件进行了分析及优化,通过有限元法优化设计了一种反射镜中心支撑的柔性结构,在此温度变化范围内,反射镜面形误差变化量PV值小于λ/10、RMS值小于λ/40(A=632.8nm).最后,通过力学环境实验测试反射镜面形变化量和反射镜组件模拟件的动态特性,证明该结构满足设计要求.     

大口径空间反射镜轻量化设计及其柔性支撑

设计了空间相机1.5 m口径反射镜组件的结构系统。首先,根据反射镜材料选取原则,选用SiC作为反射镜镜坯材料。初步确定了反射镜支撑方式、镜体结构参数,并对反射镜进行轻量化设计。通过对反射镜结构参数进行优化,得到重为152.4 kg的反射镜结构,轻量化率达到83%。然后,设计了一种双轴柔性铰链结构,并找出了在装调方向柔性铰链安装位置对面形精度的影响规律,利用有限元法对反射镜组件进行了动、静态特性及热特性分析,结果表明,反射镜组件一阶固有频率为100.6 Hz,在1 g重力及4 ℃均匀温升工况下反射镜面形精度RMS值分别为7.7 nm和8.4 nm。最后,对反射镜组件进行动力学试验及面形精度检测,结果表明反射镜组件完全满足设计指标要求。     

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。     

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。     

单反式光端机反射镜柔性支撑参数化设计与试验

为保证单反式光端机指向捕获跟踪(Pointing, acquisition and tracking, PAT)时反射镜在恶劣空间环境下的面形精度,设计了一种底面开槽的柔性支撑结构。由于柔性支撑结构参数较多,为避免各参数之间严重耦合,采用正交优化方法对柔性支撑结构进行参数优化设计,再利用有限元方法对反射镜组件进行热力学特性分析。仿真分析结果表明,反射镜组件一阶频率为352.61 Hz,在1g重力和10℃温升(温降)共同作用下的最大面形误差RMS为λ/54.79(λ=623.8 nm),能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。使用ZYGO干涉仪在(20±10)℃温度范围内对反射镜面形进行检测,结果表明,反射镜面形PV值优于λ/6,RMS优于λ/43,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

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。     

承载式激光通信光学天线

在保证一对多激光通信终端光学天线的成像质量前提下,为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题,提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计,保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析,结果表明:整机一阶模态151.54 Hz;光学天线前端可承载8.5 kg,后端面可承载13 kg;径向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS值（均方根误差）为/158、PV值（最大峰谷误差）/30,次镜最大倾角1.88;在（205）℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS为/65、PV为/14,次镜最大倾角1.21,该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量,可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置,使用ZYGO干涉仪进行测试,结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下,系统波相差RMS值优于/15的指标要求。     

某机载光电系统主镜的轻量化设计与分析

为了达到某新型机载光电系统的轻小型化要求,对共孔径组件中ΦΦ445 mm的主镜开展了轻量化设计。首先,对比分析了多种轻量化形式特点,确定了主镜材料和结构形式。然后,以主镜轻量化率和面形精度为目标,综合理论计算与有限元分析手段,对相关参数进行迭代优化,确定出镜厚为68 mm,面板厚度为6 mm,筋板厚度为4 mm,优化后轻量化率达62 %。接着,对主镜开展工程分析,在1 g重力作用下,单一主镜光轴竖直时RMS达1.13 nm,光轴水平时RMS达0.23 nm,冲击振动下最大局部应力为0.19 MPa,组件状态下主镜RMS达11.67 nm,各项指标均满足设计要求。最后,借助干涉仪对实物主镜进行光学检测,面形精度RMS实测值为15.19 nm,进而验证了轻量化设计分析的准确性。     

激光通信一体化SiC/Al摆镜支撑参数优化

在组网“一对多”激光通信系统中,为了减小安装面平面度误差对反射镜面形的影响,保证组网“一对多”激光通信用伺服摆镜安装后的面形精度,对一体化SiC/Al摆镜支撑参数开展了理论分析,分析了各支撑参数对摆镜面形精度的影响规律。然后采用有限元分析优化设计了支撑参数,确定了支撑点位置和安装面平面度精度的要求。对采用优化设计参数后的摆镜面形精度测试表明,在加工面形为PV值优于53 nm(λ/12),RMS值优于10 nm(λ/60)的前提下,并在(20±5) ℃温度载荷作用下,摆镜安装后的面形精度PV值优于210 nm(λ/3),RMS值优于60 nm(λ/10)。同时,摆镜与安装基座由相同材料制作,这有效减小温度变化负载对面形精度的影响,完全满足组网“一对多”激光通信伺服摆镜面形的精度指标要求。     

193nm光刻投影物镜单镜支撑仿真分析及实验研究

光刻是大规模集成电路制造过程中最为关键的工艺,光刻的分辨力主要取决于光刻投影物镜的光学性能。光刻投影物镜光学元件面形精度为纳米量级,其对光学元件的加工及物镜单镜支撑提出了极高的要求。为193nm光刻投影物镜高精度的单镜面形,设计了一种运动学单镜支撑结构。运用有限元法(FEM)分析光刻投影物镜单镜运动学支撑结构在重力下物镜镜片的面形变化量,经分析物镜镜片的峰值(PV)值为15.46nm,均方根(RMS)误差为3.62nm。为了验证有限元计算精度,建立了可去除参考面面形及被测面原始面形的方法。经过分析对比,仿真结果与实验结果面形的PV值为2.356nm,RMS误差为0.357nm。研究结果表明,所设计的基于运动学193nm光刻投影物镜单镜支撑结构能够满足193nm光刻投影物镜系统对于物镜机械支撑结构的要求。     

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。