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。     

GEO激光通信系统主镜组件优化设计

为保证GEO激光通信系统主镜的面形误差、主镜组件的结构刚度满足设计要求,需要进行主镜组件结构参数优化设计。由于组件的结构参数较多,为避免参数之间重复优化,提高优化设计效率,采用正交优化方法,用9种结构参数组合完成全部81种参数组合的主镜优化设计,保证了1 g重力、2℃径向温差分别作用时的面形误差RMS值满足RMS/50（=632.8 nm）的面形精度要求,并且改善了5℃均匀温升作用下的面形误差RMS值;在此基础上,进行了柔性支撑优化设计。仿真分析表明,主镜组件一阶频率为213 Hz,高于要求的200 Hz固有频率,主镜在1 g重力、2℃镜体径向温差和5℃均匀温升共同作用下的最大面形误差为10.78 nm,满足面形精度要求。经实验测试:5℃均匀温升的面形误差RMS值为7.27 nm,优于设计要求。优化设计为主镜组件的设计、加工、装校提供了技术支撑。     

空间引力波望远镜主镜组件的结构设计

针对空间引力波望远镜皮米量级的极高光程稳定性需求,对系统中主镜组件进行了优化设计。采用微晶玻璃（Zerodur）作为反射镜材料,支撑结构材料为铟钢（4J36）。首先,通过对反射镜参数的优化,使其在保证面形精度的同时镜体轻量化率达到了72%。然后,设计了一种双轴联杆型Bipod柔性反射镜支撑结构,并采用了侧面三点支撑的形式。以保证有效的支撑刚度及卸载效果为目的,建立了柔性铰链的数学模型,并基于Matlab对其尺寸参数进行了优化。最后,对优化设计后主镜组件进行了模态分析及振动试验,并完成了在轨分析与波前质量计算。结果显示,主镜组件的一阶固有频率为373 Hz,与试验结果的相对误差为3.5%;在轨环境下主镜面形精度达到8.9 nm（RMS）;波前精度为/5（=1 064 nm）。表明该反射镜组件满足设计指标要求。     

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。     

大型离轴三反相机主镜组件结构设计与验证

大口径长条形反射镜是大型离轴三反相机的核心部件之一,针对“吉林一号”宽幅01C星中通光口径为1 250 mm×460 mm的主反射镜,系统论述了1.2 m量级大长宽比反射镜组件的结构设计方法,并对所研制的主镜开展了详细的验证。从材料属性和现有工艺出发,镜体材料选择反应烧结碳化硅,采用半封闭式轻量化形式,通过二目标全局优化确定了镜体结构参数的最佳组合,最终镜体设计质量为41.8 kg,面板厚5 mm、最薄加强筋仅厚3 mm。采用经典背部三点支撑方案,优化柔性支撑中的双轴柔性铰链结构参数以兼顾组件基频和热稳定性,并与镜体质心位置进行匹配。提出了主镜组件的装配流程和相应的消应力措施。测试结果表明：主镜在装调重力工况下全口径面形精度均方根值为0.016λ(λ=632.8 nm),翻转180°后主镜全口径面形精度均方根值为0.019λ;实测主镜组件一阶基频为127.8 Hz,经大量级随机振动和高低温循环后,主镜面形精度均方根值基本不变。主镜组件具有良好的动、静力学特性,且面形精度高、稳定性良好,能够满足高性能空间光学系统的使用要求。     

4mSiC主镜起吊装置结构设计与分析

根据4 mSiC 主镜的结构和材料特性,设计了带有12 个底支撑杆的主镜起吊装置。首先确定了起吊装置主体构成包括主体框架、底支撑组件、侧支撑、上压紧等组件。其次运用有限元建模、分析和优化的办法,重点进行了有关主体框架的设计、施力面积的优化以及设计尺寸的优化。分析出了安装存在的误差所导致的3 点支撑和主镜倾斜时镜子变形和应力情况,并提出了相应的解决方法。最终确定了起吊装置的最终方案,并按照设计和优化的结果,加工、安装和使用了起吊装置。分析结果和实际应用表明,起吊装置达到了设计要求,可以为类似的结构提供一定的指导。     

大口径空间反射镜组件结构设计与分析

设计了某1.2 m口径的空间光学反射镜结构及其支撑结构系统。首先,合理选取了反射镜及其支撑结构的材料。从反射镜镜坯制作工艺、力学特性、热特性以及反射镜重量等因素考虑,最终选取基于反应烧结SiC材料的背部半开放式扇形轻量化孔的反射镜结构形式,反射镜设计重量为87.6 kg,轻量化率达到79%。其次,确定了在光轴水平状态下进行检测装调的方案,并进行其支撑结构的设计,采用3个双轴柔性铰链从背部对反射镜支撑,使大口径反射镜同时满足静态刚度、动态刚度、强度和热尺寸稳定性的要求。最后,对反射镜进行了组件级有限元分析。结果表明,反射镜在X向重力和4℃均匀温升作用下面形RMS分别为7.8 nm和9.4 nm,反射镜组件一阶固有频率为153 Hz,满足设计指标要求。     

4m口径的SiC主镜翻转装置结构设计与分析

根据4 m口径的SiC主镜特殊的使用要求,设计了一种辅助翻转设备实现其180旋转。首先确定了翻转装置的主体构成包括主体框架、轴向支撑组件和径向支撑结构等。理论分析了反射镜在任意天顶角状态下轴向Whiffle-tree支撑结构和径向吊带支撑力的大小,并分析了使用吊带支撑下吊带对反射镜径向压力的大小。接着在设计实际结构的同时,运用有限元建模、重点分析了主体框架的刚度以及光轴竖直和光轴水平状态下镜子的应力情况以及翻转装置的最大刚体位移,根据分析结果设计了整个翻转装置的详细结构。最后根据设计和分析的结果,加工、安装了翻转装置,并采用加速度计测量了翻转过程对反射镜的冲击情况。实际应用和测试结果表明,翻转装置达到了设计要求,可以为类似的结构设计一定的指导。     

4m SiC主镜硬点定位机构指标性能分析

为了保证4 m SiC主镜的位姿精度和支撑系统的刚度,根据主镜支撑系统的光学指标对六杆硬点定位机构的相关参数指标进行了分析。应用有限元方法并借助于有限元软件,对六杆硬点定位机构进行了优化设计,确定了硬点分布半径、定位夹角、轴向刚度和轴向拉压力极限。分析计算出在主镜背部半径为1 345 mm的圆周上,均匀分布六个硬点机构连接点时,单个硬点轴向刚度达到15 000 N/mm。此时,主镜支撑系统的固有频率大于等于15 Hz,满足设计要求,为后续结构的优化设计提供了依据。     

薄型折反系统布局及金属主镜安装影响分析

对于含口径80 mm 的高次非球面金属主镜、主镜顶点到像面距离仅为17.5 mm 的薄型折反式光学系统,设计了带3 安装耳的主镜,并利用组件合并及周向同环交错前向安装的方式,在保证所有光机件顺利布局的基础上,有效增加了主镜镜体厚度提高了结构刚度。为分析金属主镜在安装应力下的面形,利用ANSYS 预紧力单元模拟螺钉连接的预紧力,在模态校核的基础上分析了主镜柔性支撑环板在不同厚度以及安装面不平时的波面变形。提出的轴向受限的主镜组件结构方案、安装应力变形的集成分析方法及解决方案,为提高主镜的装配面形精度以保证光学系统的成像质量提供了光机设计参考。     

?620 mm口径地基反射镜组件优化设计

为了获得620 mm口径地基反射镜组件的最优设计方案,建立了反射镜及其支撑系统的参数化模型,并基于该模型对镜体厚度、支撑点位置和柔性支撑结构的设计参数进行多目标优化设计。首先,阐述了620 mm口径地基主反射镜支撑系统的运动学约束设计原理。然后,从理论角度推导出柔性支撑的柔度矩阵和结构热变形的等效力,建立了便于优化迭代的反射镜组件参数化模型,对比了参数化模型与体单元组成的详尽有限元模型在多种静力学工况下的RMS值和系统的前6阶模态值,计算结果误差在10%以内,验证了参数化模型的有效性。最后,基于径向基函数的近似模型理论,在Isight环境下对参数化模型进行多目标优化处理。得到了多目标优化的Pareto front前沿,目标值权衡处理后得到系统的最优的设计方案。提出的优化设计方法具有较好的工程适用性,可为同类型的反射镜组件优化设计提供参考。     

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。     

SiC轻量化主镜液压whiffletree支撑系统的改进

针对2 m SiC轻量化主镜设计了液压whiffletree被动支撑系统,通过在轴向液压支撑点处并联杠杆配重机构的方式,实现了不同支撑圈上轴向支撑力的优化分配,将轴向支撑下主镜的镜面变形RMS值从7.1 nm优化到4.8 nm.针对SiC主镜热膨胀率大的特性,提出了采用具有热解耦能力的切向连杆结合液压whiffletree的侧向支撑系统,并借助于有限元法预算出主镜光轴水平状态下侧向支撑引起的镜面变形误差RMS值为39.7 nm.当温差为20 ℃时,轴向和侧向支撑结构作用下的主镜镜面变形误差RMS值仍保持在4.8 nm,验证了侧向支撑良好的热解耦能力.     

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。     

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。     

长焦距空间相机主次镜间桁架支撑结构设计

为了满足长焦距空间相机主次镜间支撑结构高刚度、高强度、高热稳定性和轻量化的设计要求,从材料选择、结构形式、连接工艺和参数优化等方面分析了空间相机主次镜间支撑结构设计中需要考虑的问题。针对某7 m焦距,相对孔径1∶6,采用卡塞格林光学系统的空间相机,设计了一种采用碳纤维复合材料的3层27杆式主次镜间桁架支撑结构,并基于有限元法对其进行了优化设计。分析结果表明,设计的桁架结构质量减轻了38 kg,一阶固有频率可达80 Hz,在径向自重和5℃均匀温升载荷作用下,次镜最大倾角为4.6″,表明所设计的支撑桁架合理可行,能够满足长焦距空间相机的使用要求。     

低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析

红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度,也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于240 K的?450 mm反射镜组件进行结构设计,反射镜材料为SiC,连接件材料为殷钢,采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式,并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析,得到各参数对面形的影响曲线。优化后,反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm,径向重力面形3.710 nm,240 K低温面形5.086 nm,一阶模态277 Hz,轻量化率89.4%。     

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。