空间相机用大口径圆形主反射镜设计

主镜是空间相机的主要成像部件,其面形误差和位置误差将会决定成像质量。设计了一种孔径为9660 IlllTI的圆形主镜组件。通过对比6点定位原理实现反射镜体的全约束,并经三点在背部支撑主镜,其中每点均为多层柔性结构。合理分配每点支撑的自由度及刚度,同时卸载温度变化时由于材料的线胀系数不同而传递到反射镜上的应力,使反射镜变形均匀。有限元分析结果表明,本文设计的主镜组件的面形误差RMS值达到1/50λ(λ=632.8 nm),一阶模态达到249 Hz,并具有良好的动态刚度。     

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。     

Φ450 mm口径空间天文相机轻量化碳化硅主反射镜组件设计

针对某空间天文相机对轻量化、光学效率、杂光抑制与探测能力的需求,设计Φ450 mm口径碳化硅主反射镜,镜体轻量化率超过70%;选取线膨胀系数匹配的殷钢材料,设计基于两脚架柔性结构的侧面支撑以消除装配应力和热应力,通过渗硅改性获取高反射率光学镜面。光学加工完成后反射镜质量7 kg,反射率优于98%。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密装配。光学检测结果表明,反射镜装配完成后面形误差优于0.02λ RMS,与分析结果吻合。证明了空间天文相机主反射镜组件结构设计方案与装调工艺的合理性,满足空间天文相机光学设计要求。     

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。     

空间相机反射镜SiC/Al 支撑板轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜组件结构刚度、位置精度、面形精度的同时,最大限度地降低反射镜支撑板的质量,是轻量化设计的一个重要内容。提出了通过拓扑优化确定反射镜用SiC/Al 材料的背部支撑板轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明: 重力载荷下面形精度达到/10 PV,/50 RMS（=632.8 nm）,PV 值13.3 nm,RMS 值2.9 nm,反射镜组件一阶固有频率239 Hz,均优于传统结构形式的反射镜。拓扑优化的方法获得的轻量化背部支撑板能够满足使用要求。     

某空间相机反射镜的温度变形分析

在某空间光学系统一块反射镜的设计中,虽然采取了很多积极的措施来减小温度变化的影响,但由于能受到太阳直接照射,其空间热环境非常恶劣,因此仍需对其进行热变形分析.为此,对空间光学结构热分析的一般流程进行了讨论.对热变形分析过程中关键的温度场映射问题进行了研究,比较了两种温度场映射的方法.对于所研究的反射镜的热变形问题,选取了通过热传导分析建立温度场的方法进行了分析.分析结果表明,利用热传导建立温度场计算出来的镜面变形PV和RMS值的变化与实验结果是一致的,该方法具有普遍的适用性.     

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。     

空间反射镜背部双脚架柔性支撑结构设计

为了满足空间反射镜温度适应性好、结构紧凑的要求,采用有限元分析方法,以超低膨胀系数玻璃空间反射镜（?355mm）为支撑对象,设计了一种背部双脚架柔性支撑结构。首先研究了双脚架支撑的基本设计原则,从自由度角度分析了双脚架支撑结构相对背部3点支撑结构的优势。然后针对支撑结构尺寸参量、柔性铰链结构尺寸参量对面型精度的影响进行了仿真分析和优化设计,提出支撑脚延长线交点位置应作为背部双脚架支撑的关键设计参量,与粘接位置分别设计。结果表明,优化设计后的背部双脚架柔性支撑结构温度适应性好,能够有效卸载温度变化引入的附加载荷,同时具有较好的支撑效果和动态刚度;反射镜支撑后面形精度均方根值为3.68nm,组件的1阶频率达到123.41Hz,满足设计要求。该研究对未来背部双脚架支撑结构设计具有借鉴意义。     

基于SiC材料的空间相机非球面反射镜结构设计

针对空间相机中优质轻型光学反射镜对材料提出的要求,详细讨论了设计基于SiC材料空间反射镜的一系列问题,包括径厚比的选择、支撑点数量、轻量化结构形式、材料特性匹配等,提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式,并设计制造了 Φ600 mm轻量化SiC反射镜实验件。抛光后反射镜面形精度优于λ/20 rms。为验证重力变形的影响,将反射镜分别旋转了90°和180°,用Zygo干涉仪检验,3个方向检测结果误差均小于λ/100 rms。在此基础上设计完成了某空间相机中的SiC非球面主镜、次镜、第三镜,结果表明基于SiC材料的反射镜在重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求,而且与玻璃材料相比,在很大程度上降低了重量。     

平行光管主反射镜的支撑优化

平行光管中主反射镜的口径最大,支撑也最困难.对用于平行光管设备中口径为1000 mm的主反射镜浮动支撑进行了优化分析.利用ANSYSY中强大的优化分析模块对主反射镜在3点、9点、18点、24点和27点5种不同支撑点数量下的模型进行了优化.最后对这5种优化模型都给出了自重变形分析,得出了主反射镜镜面变形云图并计算出对应的PV值和RMS值.综合考虑了镜面面型要求和工艺性等后,确定了最佳支撑点数为18点,并且点的分布遵循优化模型.     

大视场空间相机侧摆成像时几何参数分析

为了提高大视场空间相机物距、投射角、地面像元分辨率、幅宽等几何参数的计算精度,研究了星下点成像与侧摆成像时上述几何参数的精确计算方法。在全面考虑地球曲率和投射角的基础上,建立了相应的几何模型,改进了大视场空间相机几何参数计算方法。根据仿真分析,对于轨道高度650 km、半视场40的空间相机,当侧摆20时,垂直线阵方向像元分辨率的最大值是最小值的2.31倍,是传统计算方法的1.78倍;平行线阵方向像元分辨率的最大值是最小值的7.16倍,是传统计算方法的4.29倍;幅宽是传统计算方法的1.33倍。因此,传统计算方法存在较大的误差,提出的精确计算方法对于提高大视场空间相机成像质量具有重要意义。     

航天相机碳纤维外罩结构及模态分析和试验

采用高强度的碳纤维复合材料T300设计、制造了具有较复杂外形和多级斜挡光环的航天相机外遮光罩,并简要介绍了制造工艺过程。运用有限元法完成了模态分析,利用现有工装联接碳纤维外罩完成了模态测试,得到了其径向模态及其振型,并给出了试验频响函数图。通过比较有限元分析和试验测试数据表明,有限元分析模型与实际产品各阶模态误差均在2.3%以内。由此可见,碳纤维外罩结构合理,采用的有限元分析方法可行,该方法如扩展到大型航天相机动力学建模过程,将对设计相机整机结构具有指导意义。     

天基空间目标可见光相机探测能力分析

空间目标可见光相机的探测能力与空间目标可见光特性、探测器件性能指标等因素有关。为得到空间光学相机对200~1 500 km中低轨道可见光目标的探测能力,基于基本辐射理论,综合考虑空间目标几何特性、背景特性与材料特性,建立空间目标特性的数学模型,在可见光0.4~0.7μm谱段进行仿真计算。得出可见光相机对中低轨道空间目标探测能力的理论计算方法,并得出相关光学参数计算公式,为空间光学相机的设计提供理论支持。     

一种空间相机焦距的自动温度补偿系统

温度因素造成空间相机离焦,使相机的焦面不在最佳摄像范围内,为了实现焦面的自动控制,保证相机的成像质量,提出了一种空间相机焦距的自动温度补偿系统。首先,详细分析了目前相机焦面的补偿策略,针对其缺点和不足提出一种改进方法;其次,介绍了该系统的构成、设计及其工作原理;最后,对其进行了实验验证。实验结果表明:离焦量可以控制在10μm以内,焦面的调整误差不大于1.3μm,温度水平控制满足系统设计要求。提出的空间相机焦距的自动温度补偿系统可以实现自动控制相机温度水平、自动计算相机的离焦量、自动控制相机的焦面,满足相机工作时焦面处于最佳摄像范围内的要求。     

新型空间相机偏流角调整方法

针对目前国内光学成像侦察卫星成像模式单一、对曲线条带状目标侦察效率低下的现状,开展了以相机实时像移补偿技术为基础的一种新型空间相机偏流角调整方法的研究。介绍了新型空间相机偏流角调整方法的原理,并设计了一种可使空间相机实现实时像移补偿的偏流调整机构。区别于传统的TDI-CCD拼接后整体旋转调偏流方式,该机构实现了TDI-CCD分片旋转调偏流,以达到空间相机实时像移补偿的目的。最后,进行了偏流机构传动精度分析与测试,分析与测试结果均表明:所设计的偏流调整机构传动精度高,结构系统响应速度快,可满足相机敏捷成像侦查任务。     

航天相机MTF测试靶标研究

在采用矩形靶标测量航天相机系统MTF时,由于采样初始时刻靶标像与CCD像元间存在配准误差,因此给准确测量系统MTF带来很大困难.为了减小配准误差对测量的影响,提出了采用粗分与细分相结合的梯形靶标,并推导出在奈奎斯特频率下动态测量调制传函时,由采样初始时刻配准误差所引起的配准误差调制传递函数MTF计算公式,并按此公式分别得到了粗分精度和靶标斜率对测量相机系统MTF精度的影响.通过分析,采用梯形靶标可以有效减小配准误差对测量系统MTF的影响,提高测量精度.     

基于温度水平的空间相机主动热控系统

为了让空间相机在适合的温度条件下工作,提出一种基于温度水平的主动热控系统。首先,分析相机达到温度平衡的条件,确定主动热控策略;其次,介绍热控系统的构成及工作原理;然后,将相机图像质量无本质影响作为条件,确定主动热控策略中的各项控温指标;最后,确定温度控制算法。相机在轨工作的实验结果表明:依据主动热控策略,系统能够控制相机温度达到平衡,主镜组件与基准温度的温差不大于1℃,主镜组件的周向温差不大于1℃,主镜与次镜组件的温差不大于2℃,主镜与三镜组件的温差不大于5℃,温度控制结果满足主动热控策略中的各项控温指标要求,满足相机工作时对温度的要求。     

离轴三反空间相机与卫星平台的优化连接方式

对于与卫星平台卧式安装的长焦距离轴三反空间相机,由于地面与在轨状态环境条件不同引起平台接口与相机产生温度差,导致相机视轴漂移影响成像质量。为解决此问题,提出了将柔性连接座、刚性连接座和可解锁连接座配合应用的优化连接方式,实现了相机与平台在轨状态3点静定柔性连接,并在运载阶段利用可解锁连接座提高相机基频。利用有限元方法对优化连接方式进行验证,平台接口温度降低15℃引起次镜角度变化为9.62(安装位置跨距1.2 m),满足光学设计要求;同时运载阶段相机在X、Y、Z三方向频率响应基频分别为120 Hz、120 Hz、110 Hz,与全刚性连接情况相比无明显降低。利用试验工装模拟平台进行温度变化替代试验,平台在温度提高15 ℃情况下,试验结果与仿真结果相符,且次镜转角实测值与仿真结果最大误差为9%。试验结果说明优化连接方式解决了卫星平台与相机在轨状态温度差引起的视轴漂移的问题,提高了相机的在轨环境适应性。     

空间相机机身桁架结构装配技术

为了提高空间相机机身的结构刚度和稳定性,本文针对机身的装配环节进行了研究,通过制定合理的装配方法和装配工艺,提高了机身的力学性能、减小了装配应力和装配变形,保证了机身结构的刚度和稳定性。文中介绍胶接装配方法及其相对于传统机械连接法的优势,对胶接法的装配精度进行了分析,并进行了装配实验。装配结果表明,胶接法的装配变形可以控制在0.01 mm以内。文中还对胶接装配的接头形式、黏接剂选用、表面处理和胶层厚度等黏接要素进行了分析和试验,制定了合理的胶接工艺保证各黏接要素符合要求。最后对装配后的机身进行了力学和热学试验,释放了装配应力,验证了机身的力学性能。结果证明采用胶接方法并按照装配工艺进行装配,更有利于减少装配应力,提高机身的装配精度和稳定性,符合机身结构的要求。