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。     

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。     

大口径SiC轻量化反射镜组件的结构设计

针对某空间相机1.1 m口径反射镜的光机结构设计任务,为降低反射镜的重量,提高其环境适应性,设计了一种重力变形小、抗振性强、热尺寸稳定性高的空间反射镜结构系统。首先,详细分析了反射镜及支撑结构选材依据及应考虑的主要因素。然后,提出一种背部半封闭式扇形轻量化孔的反射镜轻量化结构方案,并利用参数化建模分析的方法对其结构参数进行了优化设计。采用背部三点柔性支撑方式对反射镜进行支撑,通过柔性铰链的柔性来调节由于装配中的过定位和热环境变化导致的反射镜面形精度降低问题。最后,对反射镜组件的力学和热特性分析结果表明,反射镜在X向1 g重力作用下反射镜面形精度PV为62.4 nm,RMS为5.7 nm,在20±4℃环境温度变化范围内面形精度达到PV为61.7 nm,RMS为6.3 nm,反射镜组件基频为150 Hz,能够满足静态刚度、动态刚度和热尺寸稳定性的设计指标要求。     

大口径空间反射镜轻量化设计及其柔性支撑

设计了空间相机1.5 m口径反射镜组件的结构系统。首先,根据反射镜材料选取原则,选用SiC作为反射镜镜坯材料。初步确定了反射镜支撑方式、镜体结构参数,并对反射镜进行轻量化设计。通过对反射镜结构参数进行优化,得到重为152.4 kg的反射镜结构,轻量化率达到83%。然后,设计了一种双轴柔性铰链结构,并找出了在装调方向柔性铰链安装位置对面形精度的影响规律,利用有限元法对反射镜组件进行了动、静态特性及热特性分析,结果表明,反射镜组件一阶固有频率为100.6 Hz,在1 g重力及4 ℃均匀温升工况下反射镜面形精度RMS值分别为7.7 nm和8.4 nm。最后,对反射镜组件进行动力学试验及面形精度检测,结果表明反射镜组件完全满足设计指标要求。     

空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用

空间相机反射镜尺寸和质量对系统的光学性能、机械性能和热稳定性等具有重要影响,因此对其进行轻量化设计具有重要意义。文中从材料的选择、背部基体形状、轻量化孔形式、支撑方式对某空间大口径反射镜进行了详细的结构设计,采用理论论述与有限元分析相结合的方法,提出了一种背部开放式、三角形孔的轻量化结构形式,通过合理设计反射镜支撑点数目和位置,使反射镜组件在重力工况下,镜面面形精度达到成像质量要求,即PV值不大于63.2 nm。     

Φ450 mm口径空间天文相机轻量化碳化硅主反射镜组件设计

针对某空间天文相机对轻量化、光学效率、杂光抑制与探测能力的需求,设计Φ450 mm口径碳化硅主反射镜,镜体轻量化率超过70%;选取线膨胀系数匹配的殷钢材料,设计基于两脚架柔性结构的侧面支撑以消除装配应力和热应力,通过渗硅改性获取高反射率光学镜面。光学加工完成后反射镜质量7 kg,反射率优于98%。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密装配。光学检测结果表明,反射镜装配完成后面形误差优于0.02λ RMS,与分析结果吻合。证明了空间天文相机主反射镜组件结构设计方案与装调工艺的合理性,满足空间天文相机光学设计要求。     

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。     

空间相机大型轻质框架的选型与设计

针对某空间相机的光学设计结果,基于不同材料的机械加工特性,设计了几种结构形式的框架并进行了选型。采用有限元法对各框架的谐振频率进行了分析,对框架的经济性也进行了分析,最终确定了框架的结构形式。选定的框架为全桁架杆结构,重量为57 kg,一阶谐振频率为90.4 Hz。框架组件的力学试验验证表明,其一阶谐振频率为88.7 Hz。分析和试验结果均表明,该框架能够满足设计要求。     

长条形空间反射镜组件轻量化结构设计

针对某700 mm×249 mm长条形空间反射镜组件结构设计要求,对反射镜及其支撑结构进行了详细的光机结构设计。首先,从反射镜材料选择、径厚比、支撑方案及轻量化形式等角度出发,对反射镜进行结构设计。通过理论计算得到长条形反射镜的支撑点数。对支撑点位进行了优化,并探索了支撑孔位对反射镜自重变形的影响规律。其次,为满足反射镜组件的力、热环境适应性要求,设计了一种新型柔性支撑结构,并给出了柔性铰链薄弱环节对反射镜面形精度的影响;对支撑结构安装位置深度进行优化,给出反射镜面形精度关于支撑结构安装位置的变化曲线。然后,对反射镜组件进行了有限元分析,自重和5 ℃温升载荷工况下,反射镜面形精度峰谷（Peak Valley,PV）值和均方根（Root Mean Square,RMS）值最大分别达到58.2 nm和12.3 nm;反射镜组件一阶固有频率为259 Hz,低频正弦扫描振动条件下柔性支撑最大应力响应为138 MPa。最后,进行了动力学试验测试。测试结果表明,反射镜组件一阶固有频率为255 Hz,有限元分析误差为1.7%。分析和试验结果表明,反射镜组件结构设计合理,满足设计指标要求。     

离轴三反空间相机外遮光罩组件的研制

杂散光抑制对提高空间相机的成像品质起着至关重要的作用。通过合理地设置外遮光罩可以有效地抑制杂散光。为了满足空间相机外遮光罩轻质、高刚度、高强度和高尺寸稳定性的要求,选取增强基碳纤维复合材料作为空间相机外遮光罩的材料,并提出了相机主支撑结构与外遮光罩独立安装的设计思想,从而最大限度地降低了外遮光罩变形对光学元件尺寸稳定性的影响。利用有限元分析技术对外遮光罩结构进行了热特性及动态特性分析,并对结构参数进行了优化设计,最终得到了质量为5.2kg、一阶固有频率为113Hz的外遮光罩结构。动力学试验测试结果表明,外遮光罩一阶谐振频率为106.8Hz,在正弦振动和随机振动试验中加速度放大倍率小于10倍,最大应力为86.6MPa,远远小于碳纤维复合材料屈服应力,结构刚度、强度完全满足设计指标要求。     

空间反射镜的轻量化及支撑设计研究

大型空间遥感仪器为适应苛刻的发射和工作环境,通常要求具有很高的热、力学性能,并且对重量有严格限制。这对大口径反射镜及其支撑结构的质量、刚度和环境适应性提出了很高的要求。针对某型号620 mm口径光学遥感仪器的主镜及支撑结构进行了详细的分析计算、设计和试验验证。通过对比多种支撑方式的不同特性,选择了符合仪器要求的质量轻、刚度高的中心支撑;并利用等强度原理设计了放射状轻量化形式;在支撑环节上,利用柔性材料解决了因温度变化产生的局 部接触应力增加的问题,有效减小了结构对光学镜面的影响。经测试反射镜重15.2 kg,轻量化率71.2%,支撑零件3.5 kg;组件一阶模态420 Hz;面形精度优于0.03 RMS,满足仪器要求。目前该仪器已投入使用,在轨性能良好。     

空间相机主反射镜结构拓扑优化设计

随着空间光学的发展.遥感器的口径越来越大,分辨率越来越高,这就导致遥感器的主反射镜口径和质量越来越大.主反射镜的设计是否合理,将直接影响遥感器的质量和成像质量.因此采用拓扑优化方法与有限元计算方法相结合,以NASTRAN为有限元解算器,以PATRAN为前处理器,在空间光学遥感器主反射镜外形、栽荷、环境工况确定的情况下,对其结构进行拓扑优化,得到最优结构形式.通过对优化前后结构进行有限元分析,结果表明:优化后的反射镜镜面面形比传统的镜面面形减小或相当,质量减轻32%,动力学性能改善.优化后的主反射镜结构能够满足加工、工艺和装配的技术要求.这种优化与有限元分析技术的结合将为以后的光学反射镜的设计提供有效的帮助.     

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。     

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。     

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。     

空间相机反射镜组件的胶结技术

为了保证口径为320 mm的反射镜粘胶前后面形精度变化较小,同时组件的动静态刚度满足使用要求,对空间相机反射镜的胶结技术进行了研究。首先,得出了六条均布粘胶和沿芯轴外环全粘胶两种粘胶方案的具体参数,并采用有限元的方法对两种方案进行了静刚度分析与光学性能分析;其次,在反射镜裸镜面形为0.030(=632.8)时,分别检测了采用这两种粘胶方案装配后反射镜的面形精度;最后,对反射镜组件进行了振动试验。分析与试验表明:采用六条均布粘胶方案装配后,进行振动试验组件完好无损,测得一阶频率为144.194 Hz,与有限元分析相对误差为1.23%,动静态刚度满足需求,同时对比外环全粘胶反射镜面形精度提高了13.5%。结果显示六条粘胶方案更适用于320 mm反射镜组件的粘结。     

长条形空间反射镜轻量化及其支撑结构设计

为保证空间反射镜在空间应用环境中保持高位置精度和面形精度,实现良好成像,从结构材料的选择、反射镜轻量化设计及支撑结构设计三个方面对某长条形空间反射镜进行了详细的结构设计。提出了一种底面局部开口、三角形加强筋的轻量化形式,反射镜采用背部三点支撑方案,通过合理设计柔性支撑结构参数,使反射镜保证了高刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元法对反射镜系统进行了静、动态特性和热特性分析。分析结果表明:自重及5 ℃均匀温变载荷工况下,反射镜面形精度达到λ/10 PV,λ/50 RMS（λ=632.8 nm）;反射镜组件一阶固有频率230 Hz,具有足够高的动静态刚度和热尺寸稳定性,满足空间应用要求。