长条反射镜及柔节的参数优化设计

为了提高空间离轴相机反射镜组件的设计效率,以某长条反射镜组件为例,提出了一种参数优化设计方法,以反射镜及柔节为研究重点,详细阐述其结构参数优化设计过程。对优化后的反射镜组件进行仿真分析,该组件在1 g轴向重力工况下,镜面面形RMS值为1.60 nm≤λ/50(λ=632.8 nm）;在5 ℃均匀温升载荷作用下,镜面面形RMS值为6.70 nm≤λ/50;质量为2.58 kg,基频为274 Hz,数据均满足设计要求。表明对反射镜组件结构进行参数优化可较好地满足指标,并由计算机进行结构参数优化迭代,显著提高了设计效率。     

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。     

主三镜一体化离轴三反光学系统设计

离轴三反光学系统具有成像质量高、可实现大视场、无遮拦等优点,但其装调难度大,镜面支撑结构质量大。为解决这些问题,基于三级像差理论,研究一种主镜、三镜可集成一体化的大视场离轴三反光学系统,并以焦距为1 200 mm,F数为12,视场为101的光学系统为例进行了验证设计。结果表明:调制传递函数接近衍射极限,视场内平均波像差RMS值为/55,最大波像差RMS值为/22。设计结果显示,光学系统装调自由度由12个减少到6个,可使光机系统可得到简化,实现了主三镜一体化设计。     

中心支撑长条形反射镜轻型优化设计

针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式,不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量,而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法,提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构,克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能,并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明,中心支撑的反射镜质量更轻（3.36 kg）,与实体反射镜相比,轻量化率达到了87%,组件质量也较三点支撑减小了24%;在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm,优于三点支撑形式;4℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm,远小于设计要求的RMS 12 nm;反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz,重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 m。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时,保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度,满足设计要求,为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。     

长焦距宽视场离轴三反光管设计

针对大口径、长焦距、宽视场平行光管高像质的应用需求, 提出一种采用离轴三反射镜结构的平行光管。从共轴三反理论出发, 推导出系统的初始结构;并且在用zemax软件优化时, 提出一种基于ZPL语言优化离轴量的方法。设计出一个焦距10 m, 视场21的离轴三反平行光管。设计结果表明, 系统像质接近衍射极限, 全视场波像差RMS值优于/200(=632.8 nm), 系统总长度小于f'/3, 为大口径、长焦距、宽视场光管设计提供了一种设计方法。     

共轴偏光瞳折轴三反射光学系统装调方法

为了实现共轴偏光瞳折轴三反射光学系统的高精度装调,提高其光学成像质量,研究了大口径非球面反射镜的微应力装配以及光学系统共基准的调校方法。采用光学定心加工实现主、次反射镜光轴基准与相应构件机械轴基准的高同轴度;采用Zygo激光干涉仪检测波像差,指导主镜、次镜以及三镜的装配过程,保证各反射镜装配组件完成后的面形精度与裸镜一致,并最终指导完成主次镜光学系统以及三反射光学系统的像质调整。此外,由于整个光学系统是偏轴使用的,推帚方向垂直于电荷耦合器件(CCD)线阵方向,采用折轴镜旋转并修切折轴镜垫圈的方法来消除由于折轴镜倾斜而引入的系统像散。实际装配结果表明:光学系统各个视场处的成像质量均达到系统装配指标,光学系统波像差均方根(RMS)值小于0.07λ,传递函数(MTF)大于0.57。     

超大口径平面反射镜的光学检测（特邀）

在简要总结了各种检测大口径反射镜难点的基础上,为了实现30 m望远镜（TMT）超大口径第三反射镜的高精度检测,提出了一种融合五棱镜扫描技术和子孔径拼接测试技术的新方法。大口径反射镜分阶段依次进行了五棱镜扫描测试和子孔径拼接检测,对该技术的基本原理和基础理论进行了分析和研究,制定了检测30 m望远镜第三反射镜（口径为3.5 m×2.5 m）的方案,对其测试流程、五棱镜设计、五棱镜扫描像差拟合、拼接最优化算法等进行了详细分析,并对30 m望远镜第三反射镜的原理镜进行了实验验证,其最终拼接检测面形的均方根值（RMS）和斜率均方根值（slopeRMS）分别为28.676 nm和0.97 μrad。     

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。     

矢量波像差理论在无遮拦三反光学系统设计中的应用

传统的无遮拦三反射镜光学系统设计是先设计轴对称反射系统,然后通过偏光瞳、偏视场或者两者结合的方法来实现系统无遮拦设计,系统中不可避免地用到了离轴非球面反射镜。以矢量波像差理论的相关结论出发,将反射镜的倾斜作为系统的优化变量,利用轴对称非球面反射镜实现了无遮拦三反射系统的设计。分析了此种系统的设计思路及步骤,设计了焦距为1 000 mm、视场角为1020、F数为10的三反射镜光学系统,系统结构紧凑,成像质量接近衍射极限。该系统与其他无遮拦三反光学系统相比,最大的优点是系统中的非球面均为轴对称反射面,极大地降低了系统成本。     

空间遥感相机大口径反射镜结构优化设计

为满足大口径反射镜在复杂空间环境下对高面形精度和热稳定性的要求,针对某Φ660 mm口径反射镜进行了轻量化研究。提出了一种采用经典理论公式创建反射镜初始结构,结合灵敏度分析和参数优化进行综合设计的方法。首先构建了反射镜参数化模型,采用灵敏度分析研究镜体结构参数对面形变化的影响规律,找到对镜面面形RMS值灵敏度高的结构参数进行优化迭代。相比于传统反射镜结构设计方法,此方法缩小了优化设计空间,节约了计算成本与时间,能够在设计空间内全局寻优,较快收敛于最优值。优化后反射镜在自重载荷工况下镜面面形PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40(λ=632.8 nm),镜体质量为13.6 kg,轻量化率达78.4%。镜体组件一阶频率为121 Hz,满足反射镜动态刚度要求,根据优化后的结果建立了反射镜的最佳结构模型,并进行了投产制造。     

高体份SiC/Al反射镜在空间光学应用可行性的分析

简述了空间遥感器设计中反射镜材料选择的重要性及影响。对SiC和SiC/Al复合材料与常用光学材料的空间应用综合品质因子进行了比较,SiC材料的综合品质因子为8072.92,高体分SiC/Al复合材料的综合品质因子为1 687.50。并对高体分SiC/Al复合材料应用在反射镜上的光学性能进行了检测。检测结果得出材料的表面粗糙度能够达到1.49 nm,小于5 nm;反射率达到95%以上,能够满足反射镜的性能要求。对采用高体分SiC/Al复合材料作为反射镜和背板材料的相机结构进行分析。分析结果得出整体结构前三阶模态为115 Hz,120 Hz,203 Hz,满足空间遥感器大于100 Hz的技术要求,各反射镜的面形精度满足RMS≤1/50λ(λ=632.8 nm)的技术要求。各项测试数据和有限元分析结果表明,高体份SiC/Al复合材料作为反射镜在空间光学中应用是可行的。     

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。     

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。     

单反式光端机反射镜柔性支撑参数化设计与试验

为保证单反式光端机指向捕获跟踪(Pointing, acquisition and tracking, PAT)时反射镜在恶劣空间环境下的面形精度,设计了一种底面开槽的柔性支撑结构。由于柔性支撑结构参数较多,为避免各参数之间严重耦合,采用正交优化方法对柔性支撑结构进行参数优化设计,再利用有限元方法对反射镜组件进行热力学特性分析。仿真分析结果表明,反射镜组件一阶频率为352.61 Hz,在1g重力和10℃温升(温降)共同作用下的最大面形误差RMS为λ/54.79(λ=623.8 nm),能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。使用ZYGO干涉仪在(20±10)℃温度范围内对反射镜面形进行检测,结果表明,反射镜面形PV值优于λ/6,RMS优于λ/43,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。     

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ （λ=632.8 nm）的高精度要求，为模拟在轨失重状态，降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响，对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先，在反射镜分区的基础上，提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则；随后，建立反射镜的有限元模型，以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标，以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化，通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点，实现优化过程的简化；最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中，测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ，且面形分布较为一致，说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效，为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。     

大口径精密光学元件低应力支撑结构研究

为了实现倾斜安装放置状态的大口径精密光学元件低应力支撑结构分析设计,采用有限元分析方法,对45°倾斜角安装放置的精密光学透镜在自重作用下的镜面面形进行了研究。首先,建立了光学透镜不同胶结结构的有限元模型,从镜面对角线横截面自重变形及镜面面形的波面误差两方面,分析了两种胶结分布方式及不同胶点大小对镜面面形的影响。然后,在胶结结构基础上,建立了不同镜框支撑结构有限元模型,从镜面面形的波面误差方面,分析了支撑力分布方式对镜面面形的影响。最后,设计了胶结及镜框支撑的低应力支撑结构。分析结果表明,采用胶点直径为30 mm,矩形分布形式胶结,侧面均匀方式支撑镜框时,镜面面形的波面误差PV值为16.608 nm,RMS值为7.9385 nm,满足瑞利判据的要求,验证了支撑结构的合理性。     

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。     

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。     

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。