光学天线支撑结构自由阻尼层减振技术研究

为了提高光学天线在微振动环境下的动力学特性,优化光学系统的成像质量,可以将自由阻尼层喷涂在次镜支撑薄梁的表面来达到减振降噪的目的。首先通过Zemax以及Minitab确定微振时次镜离焦对成像质量的影响,在此基础上分析了自由阻尼层减振的原理并在时域上对次镜的离焦量进行了数学建模。其次,通过Ansys进行瞬态动力学分析,提取时域上次镜的离焦量后用Matlab进行曲线拟合并与所得数学模型的曲线进行对比。分析结果表明,在0.2 g量级的正弦扰动下,铝合金制光学天线支撑结构表面喷涂0.5 mm厚的NiCrAlY自由阻尼层材料时,光学天线最大离焦量降低了21.9%,有效地提高了光学系统的抗振特性和成像质量。     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

长焦红外相机的减振系统设计

为了减小振动对长焦红外相机成像质量的影响,设计了一套新型减振系统。针对传统减振系统的不足,提出了一种新型减振系统,可以很好地将外框架传递到内框架上的振动隔离掉,通过 Matlab采用参数优化算法得到新型减振系统的最优阻尼比ζopt 为0.6532。为了检测新型数减振系统的减振效果,对长焦红外相机进行了有限元分析与试验验证。结果表明,新型减振系统在5～2000 Hz 频带 Z向的减振效果高达94.67%,因此可适应宽频带、大幅值随机振动的工作环境,保证了设备的正常工作,提高了成像质量。     

激光通信平背伺服摆镜支撑结构优化设计EI北大核心CSCD

为了保证平背伺服摆镜的镜面精度和支撑刚度,设计了一种周边柔性支撑的方案,通过对摆镜与镜座粘接处机械结构进行切口处理形成铰链结构,降低结构刚度,减小结构变形产生应力的影响。由于摆镜形状、粘接点位置、柔性支撑结构参数较多,并且相互耦合,首先采用正交实验法对摆镜主要参数进行分析与优化,确定摆镜形状尺寸参数和粘接点位置,随后优化设计摆镜柔性支撑结构。仿真分析和实验表明,采用该周边柔性支撑后,摆镜组件一阶频率为446.66 Hz,在±5℃温升(温降)和标准地球重力共同作用下,最大面形误差RMS为λ/42.87,能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。随后使用ZYGO干涉仪在(23±5)℃温度范围内对加工装配后的摆镜面形进行检测,结果表明,摆镜面形PV值优于λ/5.1,RMS优于λ/43.28,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

基于主动约束阻尼层的次镜支撑结构设计

为了提高空间望远镜次镜支撑结构的动力学性能,利用主动约束阻尼层对次镜支撑结构进行了设计,主动约束阻尼层在柔性结构表面覆盖阻尼材料和压电陶瓷材料,是对柔性结构进行振动抑制的有效手段。首先建立了主动约束阻尼层的有限元模型,采用比例微分控制算法对压电陶瓷进行闭环控制,分析了阻尼材料厚度和控制增益对支撑结构阻尼特性的影响,结果表明增大阻尼层厚度或增大控制增益能够提高结构阻尼特性,但增大阻尼层厚度同时也会降低压电陶瓷的驱动性能。对空间望远镜整体结构的分析结果显示,覆盖主动约束阻尼层后支撑结构的固有频率会略微降低,但是次镜位置的频率响应明显下降,次镜的面型精度也有提高。     

提高大口径望远镜控制系统闭环带宽的方法

为了提高大口径望远镜的抗风载扰动能力和对目标的跟踪精度,要求望远镜控制系统有较好的动态性能和稳态跟踪精度,望远镜的闭环控制带宽决定了控制系统的跟踪性能。因此,首先根据望远镜结构的二质弹簧质量模型,分析影响望远镜控制系统闭环带宽和动态响应的因素,进而介绍提高闭环控制系统带宽的两种方法:结构滤波器方法和加速度反馈控制方法;然后,详细分析了结构滤波器的设计方法及其望远镜控制系统中的应用;最后,分析了基于加速度反馈控制的设计方法以及该控制策略对提高望远镜控制系统闭环带宽的有效性。通过实验结果可以看出,加速度反馈控制方法对提高望远镜镜控制系统闭环带宽更加有效。     

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。     

临近空间望远镜次镜优化设计

根据临近空间球载望远镜高力热稳定性、高性能的要求，对其次镜组件进行优化设计。临近空间球载望远镜虽然没有火箭发射力学环境严苛，但是其独特的飞行过程受到温度变化、加速度等影响，同时由气球搭载升空，质量要求较为严格。相比于传统反射镜设计方法，采用实体优化和基结构优化相结合的方法，集成优化对镜体进行设计，引入综合评价因子优化次镜综合性能，最终次镜组件性能良好，说明优化方法有效。通过有限元仿真分析得次镜组件在重力和±3 ℃均匀温变工况下刚体位移小于3 μm，面形精度优于λ/50，在0.02 mm装配误差下面形精度优于1 nm。次镜组件一阶频率为203.8 Hz，10 g加速度应力响应（35.4 MPa）远小于材料屈服应力。采用该方法优化可获得高力热稳定性、高性能的次镜组件。     

支撑面积对薄镜面形影响的研究

为了降低大口径光学元件的体积和质量,薄型镜面已被广泛应用于各类天文望远系统和高功率激光系统.对薄型镜面进行合理的支撑是一个必须解决的问题,支撑系统的设计对光学成像质量以及光传输过程都有明显的影响.针对多点支撑情况下,支撑单元大小对薄型光学元件面形的影响进行了分析,建立了圆口径薄型光学元件的有限元分析模型,计算了支撑单元大小不同情况下光学元件面形的P-V、RMS值以及PSD曲线,分别从空间域与频率域上得到了支撑单元大小与镜面面形畸变之间的响应特性,根据计算结果,给出了不同的光学系统选择支撑单元应遵循的基本原则.     

小型一体式次镜支架结构优化设计

为了提高结构刚度，利用ANSYS的APDL语言对外径椎95mm的一体式3翼次镜支架进行了参数化建模，以基频为目标函数，对构成支架翼形的梁杆和接杆的截面参数进行了优化。优化结果表明:梁杆与接杆的夹角对基频影响显著，基频最高时梁杆与接杆的连接位置临近于基座，但并不在基座根部。在原结构基础上设计了带6螺旋环绕撑筋的新型次镜支架，撑筋显著提高了整体刚度。优化设计的新型次镜支架质量仅增加14.7g，基频增加33%，横向加速度下次镜安装面变形减小37.5%，可作为适应于力学环境的一种较佳结构。参数优化方法可提高多设计变量条件下的建模、仿真效率和设计水平，优化结果可为质量、体积及遮拦受限的小型一体式次镜支架结构设计提供有力支撑。     

大口径光学遥感器主反射镜支撑设计

大口径主反射镜作为光学遥感器的重要部件,它的面形精度直接影响成像质量的好坏,其支撑结构设计一直是研制光学遥感器的关键技术。本文对某大口径光学遥感器主反射镜的支撑结构进行了研究,根据设计要求和理论计算方法确定了支撑点数量及分布位置,通过有限元方法分析和优化了支撑点的分布位置,结合大口径反射镜的特点加入侧面辅助支撑,得到了理想的面形精度。     

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。     

振动影响航空TDICCD相机像质的集成分析

采用集成建模分析法,研究了航空TDICCD相机的成像质量受到振动载荷激励影响后的变化程度。在振动激励下,光学系统镜面会产生变形和微位移,使光学性能下降。设计了一种采用非球面镜片的航空相机光学系统,建立了航空相机光机系统的有限元模型,对其进行动力学分析,得到振动激励下的各个镜面节点位移量,以Fringe Zernike多项式为接口对镜面变形进行拟合,将拟合得到的12组37项系数输入到光学软件的航空相机光路模型中进行光学性能评价。分析表明,该航空相机光学系统在振动激励下,91 lp/mm分辨率时光学调制传递函数下降了9.7%,像点点列图发生偏移和弥散,需采取相应的减振措施。     

承载式激光通信光学天线

在保证一对多激光通信终端光学天线的成像质量前提下,为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题,提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计,保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析,结果表明:整机一阶模态151.54 Hz;光学天线前端可承载8.5 kg,后端面可承载13 kg;径向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS值（均方根误差）为/158、PV值（最大峰谷误差）/30,次镜最大倾角1.88;在（205）℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS为/65、PV为/14,次镜最大倾角1.21,该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量,可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置,使用ZYGO干涉仪进行测试,结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下,系统波相差RMS值优于/15的指标要求。     

小型红外相机结构设计与分析

为使某飞行设备携带的小型红外相机在宽温度范围及恶劣动力学环境下能够良好成像,开展了红外相机光机结构设计。首先对光学系统及整机工作环境进行了分析,确定了光机结构采用全铝机身;其次对核心部件主镜的支撑结构进行了详细研究,分析说明了主镜传统支撑方式的局限性,确定了主镜与支撑采用一体化设计的方案,该设计同样适用于次镜;接着根据相机尺寸选择了主次镜间支撑结构;然后根据光学系统设计了合理的遮光罩;最后,对相机过载适应性、温度适应性及模态进行了有限元分析,分析结果表明:该小型红外相机的光机结构能够满足设计指标要求。     

C/SiC在大口径空间望远镜次镜承力筒的应用

设计并研制了基于C/SiC复合材料的大口径空间望远镜次镜承力筒。首先对C/SiC复合材料的特性以及在空间遥感器领域的应用进行了介绍。其次以某大口径空间望远镜次镜承力筒为例,对不同材料下次镜承力筒的质量、力热性能进行了对比。仿真分析表明:设计的C/SiC复合材料次镜承力筒低至32 kg,相比钛合金筒减轻45.5%;基频为204 Hz,满足设计要求;更易于控制热变形对反射镜面形的影响。最终完成了C/SiC复合材料次镜承力筒的研制和主要物理性能的检测,并进行了力学振动试验考核,对振动前后结构的三坐标测量数据进行了比对。结果表明:次镜承力筒组件的基频良好,振动试验前后频漂低于1%,结构的微位移变化量级在微米级。为应用C/SiC开展空间遥感器大尺寸整体成型支撑结构的设计提供有效的参考价值。     

带摆镜的二维扫描制冷红外光学系统设计

带摆镜的像方扫描光学系统通常只在一维方向扫描成像,当摆镜在二维方向摆扫成像时,摆镜方位俯仰耦合运动带来的对光轴指向、光斑尺寸、成像性能等影响不能忽略。分析了不同的摆镜扫描光学系统的基本形式,并对像方摆镜扫描光学系统二维摆扫带来的影响进行了分析。对内轴为方位、外轴为俯仰的像方摆镜在不同的二维摆扫角度下的入射光轴指向和窗口处光斑尺寸进行了理论计算,提出了二维像方摆镜扫描光学系统设计与分析方法。利用Zemax建立了二维像方摆镜扫描光学系统模型,仿真分析了不同方位俯仰摆扫角度下的成像性能、光轴指向以及窗口挡光情况。在不同方位俯仰角度下,光学系统在17 lp/mm处MTF均大于0.4,窗口极限挡光小于21.4%。