天基大口径反射镜支撑技术的发展

为了满足人类对地观测和宇宙探索的更高性能要求,空间望远镜反射镜口径已经从米级向十米量级迈进,呈现不断增大的趋势。大口径反射镜支撑与反射镜面形精度和稳定性直接相关,是决定空间望远镜实际观测能力乃至任务成败的关键技术之一。首先对大口径反射镜的三种主要支撑形式进行了介绍并做出适用性比较。在此基础上,从影响反射镜支撑设计的各个因素出发,讨论了反射镜支撑的设计原则。然后结合设计原则的讨论和国内外研究进展对支撑点数量和位置优化、无热化设计、无应力装配设计等大口径反射镜支撑关键技术及发展方向进行了探讨,期望对我国大型空间望远镜的研制提供借鉴,在新一轮空间探索热潮中实现跨越发展。     

空间遥感相机大口径变方位反射镜设计

随着遥感技术的发展,新型相机对变方位反射镜提出了口径更大,精度更高的需要。针对1 000 mm×700 mm大口径变方位反射镜提出了一种新式背部高稳定支撑设计,相对于常规变方位反射镜设计,具有体积包络小、重量轻、适应性广的特点。反射镜采用ULE材料,蜂窝夹层的轻量化结构形式,通过背部三点关节球铰卸载了反射镜的装配应力和在轨热变形应力,达到反射镜的无应力静定支撑。通过重力卸载结构的设计和卸载力的优化,解决了光学反射镜地面测试结果天地一致性问题。仿真分析表明地面重力环境下,在90°反射镜面型测试方位时,面型为0.006λ(λ=632.8 nm);在75°整机成像方位Ⅰ测试时,面型为0.005λ;在45°整机成像方位Ⅱ测试时,反射镜面型为0.011λ。反射镜组件的一阶频率达到83.2 Hz,具有较高的刚度,能够满足发射时力学环境要求。这种大口径变方位反射镜组件设计能够满足新型遥感相机的需求,也可为同类反射镜的设计提供参考。     

大口径反射镜轻量化及其支撑结构设计

为了满足大口径(800mm400mm)矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求,采用背部3点支撑方式,基于Bipod原理,为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构。分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响,选取其中影响较大的参量作为设计变量,对镜体轻量化结构进行了优化设计,并进行了有限元分析。结果表明,优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。振动试验结果与有限元分析结果相符,证明了其准确性。     

大口径动态扫描反射镜背部悬浮支撑结构设计

为了消除自重和热应力对大口径平面反射镜面形精度的影响,采用有限元分析方法,对比分析了在-20℃环境温度下采用背部固定约束与背部浮动约束获得的反射镜面形仿真数据,设计了动态扫描反射镜背部悬浮支撑结构以实现浮动约束,搭建了检测平台,并进行了大口径平面反射镜面形检测。结果表明,安装该支撑结构后反射镜的面形峰谷值为0.236,平均值为0.049。背部悬浮支撑结构实现了浮动约束,释放了大口径平面反射镜因自重和热应力造成的变形,有效保证了面形精度。     

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.     

空间遥感器主反射镜在宽温度范围内的环境适应性设计

主反射镜的面形精度对空间相机的成像质量至关重要。为保证 空间相机在宽温度范围(20±10℃)内的成像质量,设计了一种柔性支撑结构。首先,选择碳化硅(SiC) 作为反射镜材料,并对主反射镜镜体进行了背部半封闭式轻量化处理。其次,针对这个孔径为550 mm的圆 形主镜组件在20±10℃温度范围内的使用环境,设计了一种柔性铰链结构。利用Matlab软件优化了支撑结构参 数,使得支撑柔性结构在受到温度载荷时沿着径向具有足够的柔性,并可吸收变形和降低反射镜应 力。通过有限元分析可以看出,该支撑结构的一阶频率达到267 Hz,远高于机身组件的固有频率,因此可保 证主镜组件不遭到破坏。而且在重力耦合10℃温度载荷时,反射镜的面形误差(RMS值)也满足光学 系统优于λ/40的要求。     

大口径空间光学反射镜面形动力学响应分析

反射镜的面形精度是保证空间望远镜成像质量的关键因素,随着空间遥感器口径的增大以及光机结构的轻量化使得反射镜结构刚度越来越低,从而使得反射镜的面形非常容易受到环境微振动的影响。然而,遥感器在轨工作状态下,星上具有多种振动源,如步进电机、动量轮、机械制冷机等。为了研究扰动源对反射镜面形动态误差的影响,提出了一种基于模态叠加和泽尼克多项式拟合的面形动力学响应分析方法。对于每一阶模态,其光学表面的振型均可以表示为一组泽尼克多项式的线性组合,并得到一组泽尼克系数。然后,通过模态叠加法可以求出反射镜表面整体的动态面形误差,该误差是由泽尼克系数所表示。由于每一项泽尼克系数对应明确的物理像差含义,所以通过该方法可以方便地分析微振动引起的光学面形响应以及系统像差。     

空间遥感器长条形反射镜背部支撑技术

从反射镜及其支撑结构的材料选择、反射镜的轻量化设计以及支撑结构设计三个方面对某空间遥感器长条形反射镜进行了详细的设计。反射镜采用底面开口、三角形加强筋的轻量化形式和背部6点柔性支撑结构。通过有限元分析确定了柔性支撑结构的参数。最后通过力学环境试验测试了反射镜组件模拟件的力学特性。结果表明,该结构满足设计要求。     

大口径轻质反射镜光轴水平卸载支撑方法

大口径轻质反射镜的重力环境下高精度检测是目前的一个难点,由于其轻量化程度高,绝对刚度低,在重力环境下,支撑形式的不同对光学检测结果影响巨大。提出了一种以提供提拉牵引力的方法实现光轴水平支撑测试的解决方案,通过一系列的滑轮组的自适应调整,获得预定义的力学支撑,实现轻质反射镜光轴水平状态重力环境下的高精度面形测试。有限元力学分析结果表明,依据本方法开展的光轴水平状态检测,能够有效减少重力引起的光轴竖直和光轴水平两种状态下的面形变化RMS值差异,其差异值小于0.003 （=632.8 nm）。文中所提出的方法具有良好的可实施性,它可推广应用到其他大口径轻质反射镜的检测支撑的设计中,为此类大口径相机的研制提供技术基础。     

Bipod支撑大口径反射镜的零重力面形测试技术

双脚架结构具有静定支撑的特点,可以隔离机械附加载荷,因此成为大口径空间相机反射镜组件的常用支撑形式之一。在地面装调时,采用双脚架支撑的反射镜的面形因重力作用而下降。空间相机入轨后,随着重力变形的释放,反射镜面形会再次发生改变。有限元分析方法评估反射镜组件的重力误差,其精度难以达到高质量高分辨率成像的要求。同时,反射镜加工过程中使用的重力卸载方案也难以沿用至组件阶段。针对重力误差测试过程中装配误差与三叶像差混叠以及检测光路对球差测试精度不足的问题,提出了翻转与卸载相结合的测试方案。基于不同像差的正交性,可以进行分别测试来逐项获取各像差。通过反射镜组建的翻转测试,分离装配误差与重力误差中的三叶像差。设计一定精度的卸载装置,通过卸载前后的对比测试,得到重力造成的球差等旋转对称像差。采取上述方案可以实现对全部重力误差的实测。利用1.3 m口径高轻量化反射镜组件进行了测试验证,其重力误差面形rms和在轨面形rms分别为0.192λ （λ=0.6328 μm）和0.023λ。     

大孔径光学反射镜球铰支撑设计与分析

大孔径光学反射镜的支撑技术作为高分辨力相机的关键技术,既要兼顾反射镜的支撑刚度同时又要具有一定的柔性,能够适应温度变化对镜面的影响。大孔径光学反射镜采用球铰支撑可以极大地提高大孔径反射镜工作的可靠性,增强了反射镜的适应能力。本文通过几种反射镜支撑方式的比较,对大孔径光学反射镜球铰支撑的结构设计进行了论述,同时为了验证设计的可行性采用了非线性分析方法,对实际模型进行解算,确定了球铰支撑预紧力的选取范围为5～1500N。通过模拟件试验验证了采用球铰支撑的反射镜能够满足倾斜量〈5″的设计要求,使反射镜在一定的工作环境中能够稳定地工作,满足系统成像的需要。本文可为大孔径光学反射镜支撑技术提供一定的参考和借鉴。     

大口径望远镜主镜中心定位机构研究

通过对大口径光电望远镜中主镜中心定位机构的研究分析,设计了一种胀紧圈球头形式的中心定位机构,指出了其优缺点和在望远镜中适合应用的口径大小以及工况要求.定位机构在望远镜主镜支撑结构中,实现了主镜在垂直于光轴方向的平面内的有效定位,并且与主镜底支撑和侧支撑联合作用,承担部分主镜的载荷,保证了主镜的面形精度.同时,定位机构还...     

奇异值方法在大口径反射镜面形分析中的应用

为了更好地分析大口径反射镜的面形,引入奇异值方法来分析系统的重力印透造成的大尺度起伏以及由磨削加工、测量噪声等因素造成的中高频误差。首先对奇异值分解的基本方法以及在反射镜表面评价中的具体应用方法进行了研究;之后利用数值仿真,验证了奇异值分解应用在反射镜表面分析中的可行性;最后,将提出的方法应用在实际的反射镜镜面评价之中,得到系统去除高频误差后的结果。所提出的方法对于低信噪比的大口径反射系统面形评价有较好的指导作用。     

Whiffletree结构在主镜侧支撑中的应用研究

Whiffletree结构被广泛地应用在大口径望远镜主镜的底支撑中,但是目前在侧支撑中还没有采用Whiffletree结构的例子。首先探讨了在非薄弯月镜主镜中,采用Whiffletree结构进行侧支撑原理和方法,并结合一个实例,对Whiffletree侧支撑进行计算和设计,然后使用有限元软件MSC.Patran/Nastran进行了分析,最后得到镜面变形的RMS值为1.46nm,低于/40,证实该方案的可行性。     

空间遥感器长条形平面镜的背部支撑技术

某空间遥感器的大长宽比长条形平面镜的要求是在尽量减小重量的前提下,在工作温度为20±5℃条件下,反射镜的面形误差变化量(Root Mean Square, RMS)值小于λ/50 (λ=632.8 nm)。介绍了反射镜材料和支撑结构材料的选择;对反射镜的轻量化及支撑方式进行了分析。根据反射镜的外形特点,增加了镜背的局部宽度,并将其设计成了背部三点支撑形式。通过有限元分析,优化并确定了反射镜及其柔性支撑结构。反射镜位移及面形的分析结果满足设计指标要求。最后,通过力学环境试验测试了反射镜组件模拟件的力学特性,证明该结构能满足设计要求。     

大口径平面光学元件的全金属装夹方案设计

真空环境下大口径光学元件的装夹采用传统有机物无应力装夹方式会带来有机污染等各种问题。设计了一种大口径平面光学元件的夹具和装夹方案,利用金属结构直接装夹大口径平面光学元件,可在降低金属装夹框表面加工精度和光学元件处于任意倾斜角度等情况下,不产生光学元件装夹应力,同时避免了传统有机物无应力装夹而带来的有机污染。可广泛应用于大口径平面光学元件在光学工程、光学实验装置中的装夹。     

遥感仪器光学系统用非球面反射镜的支撑结构设计

目前空间遥感仪器的非球面反射镜一般都是用支撑柔性结构加背板的支撑结构支撑的。由于支撑结构的质量占有较大比重,需要简化支撑结构的形式,降低支撑结构的质量。依据三点定位原理和双脚架挠性结构,设计了3个用于简化反射镜支撑结构形式的柔性铰链结构,并采用有限元软件对设计结果进行了分析。结果表明,这种支撑结构形式可以适应空间力热环境并能达到精度要求,实现了对大口径非球面反射镜的支撑。该支撑结构去除了传统结构中的反射镜背板,简化了支撑结构的形式,减小了支撑结构的质量,降低了组件加工和装配工艺的难度。     

超薄薄膜反射镜面形光机集成分析

运用有限元法对不同工况下平面薄膜反射镜的变形进行了计算。用Gram-smith正交化方法处理了Zernike多项式,并编制了光机接口程序,计算Zernike系数,对反射镜波前进行拟合,对外载荷对超薄薄膜反射镜的影响进行了分析。