星载激光雷达望远镜主镜超轻量化结构设计

针对某星载高重频激光雷达整机系统小视场、轻量化、杂散光抑制及探测性能的需求,设计Φ400 mm望远镜主镜,选用SiC材料和背部三点支撑方式,以筋板式轻量化结构主镜为初始模型,采用拓扑优化和结构参数集成优化相结合的方法对主镜进行超轻量化结构设计,获得的主镜质量仅为4.4 kg,轻量化率达到80%。通过有限元仿真分析了主镜的静、动力学性能。结果表明:在径向重力作用下,优化后的主镜面形RMS为0.51 nm;在光轴重力作用下,RMS为4.9 nm; RMS优于λ/50(λ@632.8 nm);一阶自然模态频率为1 704.8 Hz,远大于1 000 Hz的设计要求。主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,为同类型星载激光雷达望远镜主镜的超轻量化结构设计提供了思路和参考。     

4m SiC主镜的轻量化及支撑技术

为设计出结构合理的4mSiC轻量化主镜,本文借助于有限元法完成了扇形轻量化主镜的参数设计,确定了90个支撑点的排布方式,并提出了将36组轴向和侧向力促动器共同设置在主镜背面的力分散器上的支撑方案。通过建立轻量化主镜的有限元模型,计算出不同的俯仰角下主镜的重力变形和不同温度载荷下主镜的热变形情况。重力变形分析结果表明主镜光轴水平时,镜面最大变形误差RMS仅为14．7nm,满足设计指标要求;热变形分析预算出1℃的轴向温差引起的镜面面形误差RMS值为278．0nm。若要保证4mSiC轻量化主镜的镜面面形,则必须设计出合理的热控装置,保证主镜的轴向温差不大于0．1℃。     

正六边形反射镜支撑结构设计

研究了正六边形主镜的支撑结构组件,对主镜组件进行了材料选择、结构形式与尺寸参数设计、仿真分析和试验验证。首先,针对使用要求,对主镜进行了材料选择,确定主镜材料为微晶玻璃,并进行了轻量化设计,对边320 mm的正六边形主镜最终重量约为7 kg,轻量化率为57%;其次,确定主镜支撑采取背部三点的支撑方式,支撑点分布圆为?184 mm,对支撑组件中的镶嵌件、柔节和支撑背板进行了材料选择,并给出了组件的装配工艺,采取正交试验和有限元仿真相结合的研究方法对支撑组件中的柔节进行了优化设计,给出了柔节优化后的尺寸参数,分析结果表明:在1 g、-2℃工况及1 g、2℃工况下因结构支撑引入的面形误差分别为3.9 nm RMS和5.2 nm RMS,能够满足光学指标要求;最后,对组件进行了实物试验,试验结果表明:在室温18℃下检测其面形精度RMS为0.018 9λ(λ=632.8 nm),在室温20℃下检测其面形精度RMS为0.019 6λ,获得了比较好的面形精度,验证了结构设计的合理性,具备良好的性能,满足系统使用要求。     

基于有限元法的光电经纬仪主镜轻量化设计

对某光电经纬仪主镜的结构进行研究,了解主镜的支撑方式,分析了光轴不同指向时,镜面的面形变化(PV值、RMS值)规律.在对实体镜进行分析的基础上保证其支撑条件不变,对主镜进行轻量化设计,计算其轻量化率、PV值及RaMS值,比较两种轻量化结构,并研究镜面面形随镜面厚度的变化规律.分析结果表明,结构Ⅰ的轻量化效果较好,符合设计要求,研究发现,随着镜面厚度的增加,PV值和RMS值逐渐减少.     

空间望远镜主次镜支撑筒结构优化设计

为研究大口径望远镜的性能与稳定性,针对主次镜支撑筒结构初始方案刚度不足、次镜镜架刚度偏低等问题,展开了详细分析,并采用无源结构拓扑优化的手段对其进行优化设计,获得了镜筒结构的主要传力路线、确定了结构设计目标.进而针对镜筒主要结构参数开展了影响因素研究,并详细设计了具体方案.结果表明:优化后质量为47.4 kg,径向变形与轴向变形分别为14.5μm与14.3μm;一阶模态为114.8 Hz.相比初始方案,质量提高了14.5%;径向与轴向变形量分别减小了34.3%和37.0%,模态提高了42.8%. 1 m口径主次镜望远镜支撑筒结构的优化设计提高了结构的整体性能..     

空间大口径望远镜可展开式反射镜单元镜支撑技术

本文介绍了下一代空间望远镜的可展开式反射镜的概念及设计方案,并且分析了展开式反射镜单元镜的支撑方案,目的是确定单元镜支撑点数量及排布方式.用有限元方法分析了12-6-1、12-8-1和16-8-1型三种支撑点排布方式下各自的镜面自重变形.计算结果表明,采用16-8-1型的排布方式较为合理.计算带有支撑座的单元镜在1g惯性载荷作用下,通过调节支承座位移,获得镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm)的面形,表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性.     

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。     

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.     

大口径纹影系统主反射镜装调结构分析与设计

研制纹影测试系统中大口径主球面反射镜的装调结构.利用有限元法,对有效通光口径直径为800 mm的主镜进行应力和面变形分析.采用断裂几率预测法校核玻璃机械强度,通过优化得出反射镜面变形的均方根(rootmean square,RMS),以此为依据,设计出满足系统技术要求的主镜装调结构.     

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。     

弯月薄镜的切向侧支撑设计研究

针对主动光学系统中的φ620mm弯月薄镜设计了双向柔性侧支撑结构,从理论上分析了薄镜切向侧支撑方式的工作原理和支撑力的分布情况,并采用有限元法计算出望远镜指向水平时薄镜所受侧支撑力的大小和方向,验证了受力分析的正确性.通过有限元计算出不同俯仰角下,切向侧支撑方式和轴向主动支撑共同作用时薄镜校正前后的镜面面形的变化情况.当望远镜指向水平时,薄镜镜面变形最大,经过主动校正后的镜面面形误差RMS值为14.1nm,满足设计指标要求.     

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。     

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.     

望远镜主镜支撑中粘接连接的热应力研究

支撑与镜面的连接是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,连接的好坏直接影响望远镜的成像质量。相比机械紧固方式,粘接连接具有重量轻、成本低、易于装配等优点,常被用来作为支撑和主镜的连接方式。但由于粘接连接中镜子和粘接层的材料不同,在温度变化时,会引起较大的热应力,从而影响主镜的面形质量,因此对粘接链接中的热应力也需要进行研究。为此本文使用有限元方法对粘接层的热应力进行了系统研究,采用了MMT望远镜的支撑结构形式,通过计算镜子表面热应力分布情况,找到热应力最大值,并研究了几何因素、粘接层厚度和粘接层模量对热应力最大值的影响。     

粘结连接在望远镜主镜支撑中应力分散作用研究

支撑与镜面的连接是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,连接的好坏直接影响望远镜的成像质量。相比于机械紧固方式,粘结连接具有重量轻、成本低、易于装配等优点,常被用来作为支撑和主镜的连接方式。而硅橡胶粘结剂在固化后模量较低,因此硅橡胶粘结层还具有分散应力的作用。过去对主镜粘结研究主要集中在粘结强度方面,而对其他性能研究较少。本文使用有限元方法对粘结层的力分散作用进行了系统研究,借鉴了MMT望远镜的分析方法,通过计算应力分散因子PCF来评价粘结层的应力分散能力,并分析了粘结层模量、厚度等对力分散作用的影响。     

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。     

指向反射镜轻量化及支撑结构设计与分析

为增长相机的曝光时间,改善成像质量,光学系统入瞳前方需要设置扫描机构进行俯仰方向的运动补偿。指向镜体轻量化及其支撑结构设计是扫描机构设计的关键环节。本文针对有效通光口径为320mm×260mm的一维指向反射镜进行了轻量化与支撑结构设计。设计从材料选择、轻量化设计和支撑方式等方面展开,指向镜轻量化后重量为6.245kg,轻量化率为58.4%;运用有限元方法对指向反射镜组件进行了分析,系统基频为196Hz,系统在1g重力载荷与±5℃均匀温变作用下的面形精度rms均优于λ/50、PV值均优于λ/10;最后采用模拟件进行了试验验证。最终得到满足设计要求的合理结构。     

大口径测量系统主反射镜装调及精度分析

主镜的面形精度与光轴中心偏差影响经纬仪的成像质量与测量精度.为了(减小)调整装配前后主镜的(变形)面形精度,本文介绍了检测主镜面形误差的几种方法及优缺点.为了保证经纬仪的测量精度.首次提出了大口径主镜光轴中心偏差的调整与检验方法并确定主镜光轴中心偏差调整精度小于0.05mm.     

快中子照相CCD成像系统反射镜组件设计

基于反射镜组件的刚度、强度和热尺寸稳定性,采用背部4点支撑方案设计了反射镜组件。对反射镜组件进行的静、动态刚度及热尺寸稳定性分析结果表明,反射镜在重力载荷和4℃温升载荷及温度和重力耦合变形下,面形精度达到PV≤λ/10,RMS≤λ/50(λ=400nm)。模态分析结果证明该结构有足够的动态刚度。     

组合式内支撑安全轮胎的设计与仿真

内支撑安全轮胎具有结构复杂,在零压行驶工况下胎面摩擦生热严重、胎圈易脱落等问题,不能满足车辆大负荷、高机动、长距离的使用要求。为提高内支撑安全轮胎的性能,基于某型内支撑安全轮胎提出了一种与标准轮辋装配的组合式内支撑安全轮胎结构,根据内支撑与轮胎轮廓、轮胎变形以及轮辋的装配关系,对组合式内支撑组件结构的主要参数进行了设计计算。基于有限元软件HyperMesh建立了组合式内支撑安全轮胎的仿真模型,在零压工况下,分析了采用Q235、ZL114以及聚氨酯3种不同内支撑材料的轮胎承载受力特性。研究结果表明:综合考虑承载和轻量化设计,ZL114是较为理想的内支撑材料。该研究为提高内支撑安全轮胎性能提供了参考。