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。     

小型反射镜中心支撑技术

所述空间遥感器反射镜的工作温度为18±15℃,要求反射镜在此复杂工况条件下满足设计要求.介绍了反射镜材料和支撑结构材料的选择;对反射镜的支撑方式、轻量化等方面进行了分析讨论;根据反射镜柔性支撑结构的设计原理,采用CAD/CAE工程软件进行了分析及优化,通过有限元法优化设计了一种反射镜中心支撑的柔性结构,在此温度变化范围内,反射镜面形误差变化量PV值小于λ/10、RMS值小于λ/40(A=632.8nm).最后,通过力学环境实验测试反射镜面形变化量和反射镜组件模拟件的动态特性,证明该结构满足设计要求.     

空间相机用摆镜的轻量化优化设计及其对像质的影响分析

提出了一种空间相机用摆镜轻量化优化设计方法,并对尺寸为360 mm×560 mm的空间相机用摆镜进行了轻量化优化设计。以镜体厚度、切角大小、镜面厚度和轻量化筋的厚度为设计变量,以最小重量为设计目标,以面形峰值(Peak Value,PV)和均方根值(Root-Mean-Square,RMS)不大于55 nm和11 nm为边界条件进行了优化,并将整体反射镜重量从初始模型的4kg减到了1.72 kg(其面密度为8.0 kg/m~2)。然后以微重力变形条件下的最小面形为目标,对轻量化处理后的反射镜进行了侧边支撑点位置优化,其面形PV为54 nm。采用有限元分析方法对反射镜在微重力、旋转惯性和温度载荷条件下的变形及反射镜模态进行了计算和校核,其结果均满足空间使用要求。最后采用光机热集成仿真方法对空间环境条件综合作用下产生的变形对像质的影响进行了分析。结果表明,由于该空间相机用摆镜产生变形,摆扫式光学遥感器系统的传递函数下降,在70 lp/mm处由设计值0.735降至0.703,相对降幅约为4.4%,满足设计要求。     

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。     

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。     

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%。     

长条形反射镜支撑结构设计与分析

为了降低航空光电侦察设备的整体质量,减小反射镜在复杂航空环境下的面形变化,利用有限元方法对某长条形反射镜组件结构进行了优化。首先,计算轻量化反射镜所需的支撑点数量,并对支撑点的位置进行优化。接着,为了解决温度变化时组件材料线胀系数不匹配带来的热变形问题,在支撑结构中引入了柔性铰链,并对柔性铰链参数进行了优化。最后,对反射镜组件进行面形精度分析,得到反射镜RMS为20.3 nm,小于1/30(=632.8 nm);对组件进行模态分析及试验,得到一阶固有频率分别为138 Hz和162 Hz,满足设计指标要求,分析及试验结果表明了该反射镜的支撑结构合理可行。     

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。     

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。     

空间遥感器反射镜背部支撑结构设计

鉴于空间遥感器反射镜组件需要具有高面形精度、高可靠性和高稳定性支撑的性能,设计了一种应用于天基反射镜的三点背部支撑结构,该支撑结构包括锥套、柔节和修研垫。对三点背部支撑的支撑原理以及工程实现开展了深入研究。对引起三点背部支撑反射镜组件面形误差变化的误差源进行了归纳总结,研究了各个误差源引起面形变化的作用机理,对支撑结构开展相应的设计来缓解各个误差源导致的反射镜的面形精度的变化。首先采用有限元仿真的方法对设计结果开展静、动力学仿真,然后对加工装配完成的反射镜组件开展了试验测试。测试结果表明,在工作状态下采用该三点支撑结构的镜组件的面形误差优于/60（=632.8 nm）,镜体刚体位移小于0.01 mm,镜体转角小于2,质量小于4.5 kg。整个组件具有合理的模态分布,基频是254 Hz,大大高于设计要求值120 Hz。镜组件在正弦振动和随机振动下的最大放大倍率为1.73倍,在正弦振动和随机振动下的最大应力为369 MPa,远低于选用材料的屈服极限。     

空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化

针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。     

空间遥感器Ф2 m量级大口径SiC反射镜镜坯结构设计

空间遥感器的大口径反射镜的设计目标是高比刚度。为限制发射成本,尽可能降低镜体质量;为保证反射镜的功能需求,尽可能提高镜体自身的刚度,随着反射镜口径的增大,反射镜的轻量化设计更加重要。针对某Ф2 m口径天基大口径反射镜镜体的轻量化设计,采用了传统经验设计、拓扑优化设计和尺寸参数优化设计相结合的综合优化设计方法,相对大口径反射镜镜体的传统轻量化设计方法,这种综合优化设计方法可使设计结果快速收敛,获得最优化的设计结构。采用综合优化设计方法完成镜体的优化设计后,Ф2 m口径天基大口径反射镜镜体的质量为326 kg,镜体轻量化率高达82.5%,单镜在光轴竖直状态,在1 g重力载荷作用下,取决于镜体刚度的评价镜体成像质量的镜面面形精度RMS值的变化量优于4.9 nm,单镜在光轴水平状态,在1 g重力载荷作用下,镜面面形精度RMS值的变化量优于4.3 nm。结果表明,镜体质量优于设计要求的340 kg;镜面面形精度RMS值变化量优于设计要求的5 nm,满足了镜体要求的高比刚度要求。     

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。     

2 m 望远镜K 镜支撑结构优化设计

为了使得某2m望远镜消旋K镜在重力环境温度变化的影响下镜面面形和结构刚度满足要求,设计了一种柔性支撑结构。KM1 支撑方式采用背部三点支撑,通过有限元软件ANSYS 对支撑位置进行优化。并基于伴随变换建立了柔性支撑杆的柔度矩阵,对柔性铰链的厚度、长度和宽度进行优化,使反射镜支撑刚度满足需求,并减轻热应力和装配应力面形的影响。KM2 采用周边三点支撑,间隔120均匀分布,支撑杆结构与KM1 相同。在重力和均匀温降的联合工况下,KM1 和KM2 的有限元仿真结果达到了设计要求,KM1 镜面面形RMS 低于/40,KM2 镜面面形RMS 低于/60,一阶谐振频率均高于100 Hz。     

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。