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。     

近红外镜头系统的设计与装调

为了使1.23 m 望远镜具有大视场捕获功能,进行了口径为200 mm 的近红外镜头的设计与装调工作。首先,通过光学原理确定同轴反射式光学系统。其次,通过有限元分析方法对比桁架式与圆筒式主支撑结构、三翼梁与四翼梁式次镜支撑结构在不同工况下的变形,确定桁架式三翼梁支撑结构。最后通过设计适当的次镜装调结构和选用适当的CCD 电控平移台,对系统进行装调。装调后对系统进行检测实验,检测得到系统波前误差RMS=0.106 18,PV=0.553 62（=632 nm）。检测结果表明该近红外镜头足够满足光学设计要求及成像要求。     

用于水下通信系统的复合折反式接收天线设计

针对水下无线光通信系统中无法兼顾聚光效率和光斑均匀性的问题,文章设计了一种复合折反式接收天线。仿真结果表明,传统的菲涅尔透镜聚光效率只有58.725%,而新设计的复合折反式接收天线聚光效率达到86.557%。在保证高聚光效率的情况下,光斑的均匀性也较好,均匀度为0.659 3。随后分析了平行光源在不同角度入射时聚光效率和光斑位置偏移的变化,发现菲涅尔透镜在入射角为2°时聚光效率就只有3.582 2%;而文章所设计的复合折反式接收天线在入射角度为1.5°时,聚光效率仍可以达到50%以上,入射角度在4°时仍能检测到光斑。文章设计的接收天线在水下远距离无线激光通信系统中有很好的接收效果,该接收天线适用于高增益和小视场的水下无线激光通信环境。     

密集矩阵式聚光模组二次微棱镜设计与研究

针对二次聚光器结构复杂、加工工艺难度大、成本高的问题,结合实际工程应用,设计了应用于密集矩阵式聚光模组的二次微棱镜,用Solidworks建立了三维模型,借助Zemax光学模拟仿真手段,对二次微棱镜的倾角和高度等重要参数进行了优化仿真,结果表明当二次微棱镜高度为5 mm、上底面边长为7 mm、工作面倾角为67.38时,太阳能电池接收的太阳辐射能量最大,达到最大值2.466 9 W,与不带二次微棱镜接收能量1.876 0 W相比,提高了31%,该二次微棱镜对提高聚光模组效率作用显著。     

高分辨率空间相机调焦机构设计与分析

空间遥感相机在轨运行时由于空间环境的变化,会产生不同程度的离焦.针对某高分辨率空间相机光学系统的特点以及焦深,设计了一套蜗轮蜗杆传动驱动偏心凸轮的调焦机构,详细分析了调焦机构的精度,分析结果表明:调焦机构的定位精度为0.0042 mm,焦平面组件的倾斜量为5.31〞,满足光学系统的要求.最后,建立了工程分析模型,并对其进行了模态分析.结果表明:调焦机构的一阶模态为176.56 Hz,高于相机的基频,满足设计要求.因此,所设计的调焦机构能够保证高分辨率空间光学遥感器在复杂工况下的成像质量.     

激光聚焦次镜支撑小型三自由度机构运动分析

提出了利用一种可实现一个移动和两个转动的小型3自由度(3-DOF)并联机构来控制支撑激光聚焦次镜的方案。采用传统的欧拉角描述动平台运动方式,建立了小型3-PRS机构的运动学模型,分析了机构的正、逆运动学性能,进行了包括约束雅克比矩阵的建立和伴生运动的求解。基于运动学分析,定性分析了机构的奇异位形。联合ADAMS与MATLAB,计算了机构的可达工作空间,动平台绕x轴最大运动角度为15.167 1;绕y轴最大运动角度为13.319 4;沿z轴方向的移动大约为9.954 1 mm,分析证明该小型3-PRS机构完全满足支撑激光聚焦次镜结构的设计要求。     

新型全柔性动镜机构的设计与分析

在傅里叶变换光谱仪研制中,基于迈克尔逊干涉仪的动镜机构研制是技术难点之一,而柔性铰链机构则是动镜机构的核心部分。利用简单的平行两杆机构为基体进行复杂化设计,得出一种新型柔性铰链机构并对其进行原理分析,利用有限元分析软件Patran和Nastran对其进行模拟计算,并和传统的平行两杆机构理论计算结果进行分析比较。结果表明,新型柔性铰链机构不仅使动镜的垂直耦合位移量缩小到原来的1.4%,而且将动镜的运动自由度有效地降至一维,为后续研究者提供参考。     

高倍聚光光伏可拆卸型二次反射镜设计与研究

高倍聚光光伏技术是将垂直入射于菲涅耳透镜上的太阳光聚焦到电池片上,通过光电转换产生电能,但实际应用时,由于跟踪器跟踪精度低、支架受风会抖动等因素存在,无法保证太阳光始终垂直入射于菲涅耳透镜。针对该问题,在菲涅耳透镜和太阳能电池之间增加一个可拆卸的倒置的去掉顶部的棱锥形二次反射镜来提高聚光光伏的接收角,给出了具体的设计实例,并应用Solidworks软件和Tracepro软件对设计实例进行了计算机光学模拟。结果证实该二次反射镜能很好地提高聚光光伏的接收角,并改善菲涅耳透镜聚焦光斑的能量均匀性。     

长焦距空间相机调焦机构设计

长焦距空间相机容易因环境变化产生离焦现象,引起相机成像质量下降。根据空间相机不同的结构特点和工作环境,需要设计相应的调焦机构。从保证相机成像质量和结构空间要求的角度出发,阐述了调焦机构的工作原理和组成,进行了调焦机构的方案选择,分析了调焦机构误差分布,提出了一种由精密滚珠丝杠和直线轴承实现导向和运动方向转换的调焦机构。对调焦机构进行了力学试验和分析。试验结果表明,调焦机构较强的结构刚度和稳定性能够满足空间相机在复杂环境条件下精确可靠调节调平面位置的要求。     

空间天文仪器中的铍镜结构优化设计分析

为了满足空间太阳望远镜的技术要求,进行了铍摆镜研制,掌握了高精度铍镜研制技术路线。光学检测面形精度RMS为0.012λ,满足技术要求。对铍摆镜结构进行优化设计改进。介绍了铍摆镜结构优化方法,用ANSYS中的APDL语言编译了摆镜结构优化程序,进行了铍摆镜结构优化。并利用Matlab软件编写了改进遗传算法组合优化程序,再次完成了铍镜结构优化,并进行了横向对比分析。结果表明:两结果都满足技术要求。以扇形孔铍摆镜为例,改进的遗传算法组合方法的优化结果(RMS,1.470E-6mm)比ANSYS零阶优化方法的优化结果(RMS,2.099E-6mm)降低了29.96%,优于铍镜检测结果,说明改进后的摆镜结构方案可行。铍镜的成功研制,为我国空间天文仪器大口径铍镜研究和应用奠定了基础。组合优化方法结合了改进遗传算法和ANSYS软件的优势,具有适应性高、优化能力强等特点,具有较好的鲁棒性,对类似工程结构或天文仪器结构优化具有一定的借鉴意义。     

空间衍射望远镜自展开结构设计

为了满足空间探测对衍射望远镜的发展需求,针对某衍射光学系统设计了一种空间可展开衍射望远镜。首先,根据Serrurier桁架原理及优化设计理论确定了文中所用展开结构的形式及几何尺寸,并针对某衍射光学系统设计了一种新型自展开结构;其次,建立了该展开结构的有限元模型并分析了其展开后的特性;最后,搭建了原理样机并对其进行了实验研究。实验结果表明:该展开结构的展开距离为2.9 m,展开后的重复精度误差小于2 mm,偏心小于0.3 mm,倾角小于0.2,且可通过促动器将其展开精度调整至微米级,能够满足空间衍射望远镜自展开机构的结构简单、质量轻、稳定可靠、精度高等要求。     

同轴环形螺旋谐振腔设计分析

提出了一种适用于同轴环形放电结构气体激光器的环形螺旋谐振腔,并给出了理论分析。该谐振腔由一螺旋面反射镜和一球面反射镜构成,可充分提取激活区的能量并输出单束激光。该结构易于实现同轴环形放电激活区中的功率萃取。     

基于带状弹簧的空间望远镜自展开机构设计

为了充分减小空间望远镜发射的质量和体积,适应微小卫星的运载需求,针对某光学系统设计了一种基于带状弹簧的新型空间望远镜自展开机构。首先,根据理论分析确定了所用带状弹簧的几何尺寸,并针对某空间光学系统设计了一种基于带状弹簧的新型展开机构;其次,建立了该展开机构的有限元模型并分析了其展开后的特性;最后,搭建了原理样机并对其进行了实验研究。实验结果表明:该展开机构展开后的高度为500 mm,展开后的重复精度误差小于0.1 mm,偏心小于0.1 mm,且展开后的一阶自然频率为35.5 Hz,与有限元分析出的结果相符,其误差为5.3%,能够满足空间望远镜展开机构的结构简单、质量轻、稳定可靠、精度高等要求。     

多模块可展机构运动学分析及驱动设计

由于可折展机构在空间任务中的展开需要,其运动学分析和驱动设计至关重要。根据空间多模块可展开机构中单个模块的周向周期性及多模块连接的非完全周期性特点,首先基于复数法和机构单元的拆分思想进行了单个模块的运动学建模,同时进行了满足曲面拟合条件的多模块展开机构的几何建模,并进行了多模块可展开机构的运动学分析,得到多模块联动过程中运动部件的位置与模块间偏角的关系曲线,随着滑块位移的增大,外层模块与内层模块的偏角增大,最大值为1.22°。基于可展开机构的运动学分析,得到不同驱动方式下滑块和铰链在机构展开过程中的受力变化曲线,进行展开机构的驱动分析及低质量和高可靠性的驱动设计,为展开机构的顺利展开提供保障。     

空间稳像系统摆镜的柔性支撑设计与分析

为了让空间稳像系统在保证镜面精度的同时增加支撑强度,根据柔性支撑的设计理念,用消应力槽法对镜体支撑架进行柔性设计,用胶体粘结的方式在镜体与支架之间建立柔性连接。首次利用等效刚度法对平面型胶层进行精细有限元建模,推导了相应的等效刚度矩阵,并对装配后的镜面组件整体进行有限元建模和模态分析。模态分析的一阶谐振频率仿真结果为704.24Hz,与实物的检测结果 693.5Hz相比只差了1.5%。由此可见,消应力槽法和等效刚度胶层建模法有效地完成了摆镜组件的柔性设计分析,能为类似光学设计工程中的柔性支撑设计分析提供参考。     

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。     

高分辨力空间遥感器次镜支撑设计

长焦距空间遥感器次镜热控实施难度大、发射动态响应大,因此,必须具有较宽的温度适应范围和较高的动态刚度.文中阐明了次镜支撑方式的基本原则,并从材料选择、消热设计等角度出发,设计了一种柔性支撑结构;对该支撑的3个柔性环节进行了灵敏度分析,得到了各自对次镜面形精度影响的程度;通过优化设计确定了该支撑的尺寸参数,并对次镜组件进...     

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。     

城市地下空间网格化管理信息系统的分析与设计

随着城市地下空间开发数量的快速增长,地下空间的安全使用管理已成为政府和社会关注的重点之一,传统的管理手段和方法已经不能满足城市建设管理的需求。本文针对地下空间综合管理存在的问题,为了改进地下空间综合管理的模式和机制,运用信息系统开发的理论和方法进行分析和设计,提出建设地下空间网格化管理信息系统,为城市地下空间安全运行管理提供有力保障。