空间相机SiC反射镜的制作

1　空间相机ＳｉＣ反射镜的要求空间相机反射镜的工作环境复杂 ,和地基条件相差很大 ,其选材必须满足以下要求 :反射镜材料属光学级 ,可以抛光 ,并能够镀高反射率膜层 ;面形精度 (ＲＭＳ)要求达到λ/40～λ/5 0 ;膜层反射率 (λ =0 5～ 0 .9μｍ)要大于 0 .95 ;各向同性 ,尺寸稳定 ;抗辐照 ,在空间辐照条件下反射镜面形不变 ;比刚度大、热变形系数小。表 1是几种代表性反射镜材料的性能参数。从中可见 ,ＳｉＣ是制作空间相机反射镜的理想材料 ,这是因为 :(1)反射镜的径厚比和比刚度成正比 ,而ＳｉＣ的比刚度大于 10 ,因此它能够减小反射镜…     

空间相机反射镜镜面面形处理

镜面面形误差是空间相机反射镜的重要指标之一,对空间相机反射镜结构的设计及优化具有重要的指导意义。为分析空间相机反射镜在各种工况下的面形误差情况,以球面镜为例,对镜面面形误差的计算方法进行了研究。采用三种不同的球面拟合方法对变形后的反射镜镜面进行球面拟合,并计算得变形后反射镜镜面面形误差的RMS值和PV值。最后,通过计算实例对三种面形误差计算方法进行了比较,结果表明三种计算方法精度均满足空间相机反射镜镜面面形误差计算精度要求(优于1nm),综合考虑计算精度及效率,高斯-牛顿法为最佳计算方法。     

空间相机1 m口径反射镜组件结构设计

针对1 m口径空间相机反射镜的设计要求,提出了一种新的反射镜柔性支撑结构.以材料选择、径厚比、支撑点数量和位置、轻量化结构形式等为设计变量,以自重作用下反射镜面形精度rms值为目标函数,优化设计了一种背部开口、三角形轻量化孔、背部三点支撑的SiC空间反射镜结构,同时提出了一种反射镜柔性支撑结构.对反射镜在光轴水平状态下进行装调检测时影响反射镜面形精度的柔性支撑结构参数进行了灵敏度分析,找到了影响反射镜面形精度的结构参数.对反射镜组件动、静态特性和热特性进行了有限元分析,分析结果表明,光轴水平方向重力载荷作用下反射镜面形精度rms达到5.6nm,4℃均匀温升工况下反射镜面形rms为2.7 nm,反射镜组件一阶固有频率为192Hz.最后,进行了反射镜组件的动力学测试试验,测得反射镜组件一阶固有频率为197 Hz,最大响应应力为181MPa,验证了有限元分析的准确性.得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求.     

大型空间反射镜发射率测量及误差分析

为了准确测定空间相机主镜毛坯件的表面发射率以便定量分析相机热控效果,本文在分析热像仪测温原理的基础上,利用现有测量条件,提出一种利用两种已知发射率材料作为参考的发射率测量方法.根据测量试验,得到主镜表面发射率为0.565.为定量反映各因素对测量精度的影响,对测量公式进行了误差分析.分析结果表明,与被测件表面发射率接近的材料的热像仪测温误差及发射率标称误差对测量精度有较大影响,同时得到本次试验因热像仪测温误差及参考材料发射率标称误差带来的测量误差为±0.028.最后,结合相机热平衡试验的数据对测量结果进行了验证,结果表明测量得到的主反射镜的发射率基本反映了热平衡试验的主镜表面状态,证明本文的方法对主反射镜发射率的测量是适用有效的.     

胶层固化对反射镜面形影响的仿真与试验

研究了用厚胶层进行光学零件之间的黏结操作时,胶层固化后其收缩力对反射镜面形的影响。首先,分析了胶层固化过程中胶层对光学元件产生拉应力的原理,找到了胶层固化过程中产生收缩力的主要因素。其次,建立了反射镜胶结组件的有限元模型,采用等效热变形法仿真分析了胶层收缩对反射镜面形的影响,分析发现胶层的等效线胀系数不能直接采用收缩率代替,而将材料的收缩率转换为胶层的等效线胀系数后,分析结果与试验结果吻合较好。最后,提出了减小胶层收缩对反射镜面形影响的改进方案。试验结果表明:黏胶方案改进后,胶层固化过程中的收缩力引起反射镜中心区域鼓包的PV值从0.574λ减小为0.064λ,镜面面形均方根值从0.127λ减小为0.038λ,这些结果显示胶层固化过程中产生的收缩力对反射镜面形的影响得到了显著改善。     

空间相机调焦机构误差分析

空间高分辨率遥感仪器的发射过程和在轨复杂的温度环境条件会使其光学焦平面发生偏离,从而影响相机的成像质量.为补偿相机焦平面位置的变化,本文根据高分辨红外相机的在轨应用环境以及光学设计要求,对相机的调焦机构进行了方案设计和误差分析.计算了结构误差对系统精度的影响,对不同类型结构的精度进行了归类,并利用齐次坐标变换矩阵建立了误差分析模型.同时,详细分析了误差源的特性、概率分布和变换矩阵参量间的关系.利用Monte Carlo法进行了仿真,结果表明该机构设计合理,满足仪器的使用要求.样机测试表明,该机构行程内轴向位置误差为(-0.01±0.003 6)mm,透镜最大倾斜角为25″,最大离轴量为0.005 mm.目前,该机构已成功在轨使用.     

空间相机反射镜碳化硅材料性能测试

通过对SiC样件加工研磨及反射率等性质的测试,得到了材料的性能数据,分析了用SiC材料制备反射镜毛坯的几种方法的优缺点。采用Lanmda-9分光光度计,对SiC在不同表面镀硅、镀银、以及镀硅后再镀银的条件下进行了反射率测试,得出在镀硅再镀银条件下,反射率最高,达到98%的结果。利用Wyko干涉仪对国产SiC长条形样镜进行研磨分析测试,测得表面粗糙度值为6.27 nm。该材料在某型号离轴三反光学系统中作为反射镜得以应用和验证,测得被加工后,镜面面形PV值达到0.068 λ,RMS值为0.01 λ(λ=632.8 nm)。此结果表明,材料的性能达到了可加工可应用的要求。     

大口径空间遥感相机主反射镜支撑设计

为降低外界载荷对空间遥感相机主镜面形精度的影响,提出采用不同的柔性环节独立约束主镜自由度的设计思想。通过运用CAD工程分析软件进行主镜系统动、静态特性及热特性的仿真分析,并在此基础上对主镜系统中柔性环节的结构参数进行修正,在保证支撑刚度的前提下降低由于重力、装配应力及温度变化对面形的影响,并可承受发射过程中的冲击和振动。     

提高中心球铰式快速反射镜指向精度的机构设计

为了提高快速反射镜的承载能力及其对振动、冲击等恶劣工作环境的适应性,一种中心采用球形铰链进行刚性连接、音圈电机驱动的快反系统应运而生.但该型快速反射镜运动部分绕中心轴回转的自由度无约束,直接限制了系统指向精度和动态稳定性的提高.为了克服此技术缺陷,设计了一种柔性防转机构.在明确中心球铰式快反系统结构特点和误差来源的基础上,对柔性防转机构中弹片的结构形式及尺寸进行了设计,对柔性弹片各方向的刚度进行了有限元分析、对比,最后,针对是否装有柔性防转机构的快反系统的指向精度进行了对比测试.结果表明:该柔性防转机构结构简单、易于实现,并能有效改善快反系统的指向精度(约提高3倍).在确保中心球铰式快反大的承载能力的前提下,使其具备了传统柔性无轴式快反的优点.     

大口径传输反射镜在装配紧固力下的面形误差分析

400mm级通光口径的大型传输反射镜是我国在建的高功率固体激光装置中的关键部件,反射镜的面形精度对最终的激光打靶精度有直接影响。针对反射镜所采用的螺纹紧固型装配固定方式,通过结构有限元分析和波面拟合方法研究了理论螺纹紧固力和反射镜面形变化定量作用规律。考虑零部件的制造误差、材料以及人为操作等变化因素的影响,实际中各个螺钉的紧固力在一定范围内呈随机分布,基于蒙特卡罗模拟仿真方法研究了实际螺钉紧固力的不确定性对反射镜面面形精度的影响,得出了满足面形精度要求的临界紧固力大小,为现场反射镜装配工艺的校准和优化提供了理论借鉴。     

小卫星空间跟踪遥感相机二维摆镜组件优化设计

根据某空间跟踪遥感相机光学系统特性和工作指标要求,为了达到节约空间、保证相机成像质量的目的,设计了一种适用于小卫星平台的二维摆镜,并对口径为300 mm的空间相机用摆镜进行了轻量化设计。以镜体厚度、切角大小、边缘厚度、镜面厚度及轻量化筋的厚度为设计变量,以面形峰值PV不大于63 nm和均值方根RMS不大于12 nm为边界条件进行了优化,针对单点支撑孔径的参数设计提出了一种将质量、面形峰值PV和均值方根RMS在一定平衡下尽可能小的多目标优化方法。最终优化的反射镜质量仅为0.84 kg,轻量化率达到76%。单点柔性支撑结构采用3个相隔120°布置的回形梁作为柔性铰链,与镜座采用一体化设计,结构简单,减少了摆镜组件的转动惯量,提高跟踪相机的响应度。对优化后的摆镜组件进行空间环境校核,摆镜在空间XY微重力工况下的面形RMS值小于6 nm,Z向重力、-50℃载荷及3.5 rad/s旋转惯性载荷条件下的面形RMS均小于12 nm,组件基频为326 Hz,最后对面形精度和摆镜定位精度进行了实验验证,证明了该方案的可行性。     

1.5m口径空间相机主镜组件的结构设计

研究了1.5m口径空间相机反射镜组件的结构,设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料,分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数,得到了重131.9kg,轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上,设计了主镜支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后,利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明:主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8nm),(20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内,主镜组件一阶固有频率为95.8Hz,有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。     

空间太阳望远镜中铍摆镜的有限元分析与应用

根据空间镜面材料选择原则进行了摆镜材料优选,研制了用于空间太阳望远镜相关跟踪器中的铍摆镜,建立了铍摆镜有限元模型并进行了力学分析。重点分析了铍摆镜在承受惯性载荷和温度载荷情况下的力学性能,对其在不同工况条件下的面形和内部应力的变化做了对比。最后,与同结构碳化硅材料摆镜在上述载荷情况下的力学性能进行类比分析,结果表明:铍摆镜受到惯性和温度载荷作用时引起镜体内部应力小于材料本身的屈服强度,力学性能优于碳化硅摆镜,其面形精度:RMS为2.18×10^-6 mm,PV为1.69×10^-5 mm,一阶谐振频率为1 609 Hz。该摆镜结构设计合理,计算结果满足相关跟踪器使用要求,已经得到铍摆镜镜坯。     

大型空间红外相机多反光学系统桁架杆框架的设计

针对大型空间红外相机对复杂支撑功能且重量小、刚度高框架的需求,本文设计了一个全部由桁架杆互相支撑形成的框架,并通过结构分析、工艺试验和力学试验验证了框架的可行性和可靠性。该框架由58根碳纤维支撑杆和21个接头组合形成相机的主支撑结构,可支撑多个周向分布的光学组件,且满足框架总质量不超过55kg的要求。介绍了框架的装调和胶接方法和步骤,进行了有限元分析和力学试验,验证了三角形封闭的桁架杆结构在黏接强度降低的情况下,仍能够在相机受力状态下具有足够的安全裕度。力学试验得到框架的一阶谐振频率为90.4 Hz,满足一阶谐振频率不低于60Hz的要求,与有限元分析结果相符。     

金属橡胶减振器在同轴两反空间相机中的应用

为了减少振动对同轴两反空间相机的影响,研究了金属橡胶减振结构及同轴两反空间相机的随机振动响应.分析金属橡胶结构的力学模型,研制出串联金属橡胶减振结构,建立空间相机的有限元模型并进行模态分析和随机振动响应分析;最后,通过正弦扫频试验和随机振动试验验证有限元分析的准确性.试验结果表明,装配有金属橡胶减振器的同轴两反空间相机...     

新型薄膜反射镜的有限元分析

薄膜反射镜是实现大口径、低面密度空间光学系统的最新方向之一,材料采用柔性薄膜,具有重量超轻、体积小的特点.由于薄膜反射镜的挠度特性,利用传统的方法来获得面形的变化很困难.介绍薄膜反射镜的成形原理,建立符合实际情况的有限元模型,通过施加一定的边界条件,对薄膜反射镜进行非线性分析,得到一系列的挠度值,并和理论值进行比较分析,最大误差为0.07%.所得到的结论对于进一步研究反射镜成形和面形控制,以及薄膜厚度的选择具有一定的指导意义.＃     

空间相机偏流调整旋转轴系的设计与精度分析

为提高空间相机的摄影精度和偏流角的控制精度,应用刚度较强的外筒机座平面作为轴系止推轴承轨道平面,设计了双径向与轴向复合约束力封闭式旋转轴系结构,其结构具有质量轻、转动灵活、回转精度高等特点.讨论了影响轴系旋转精度的诸多误差因素,如轴向窜动误差,角度摆动误差等,并定量分析了构成轴系零件的形位误差引起旋转轴系在回转运动中的晃动误差.通过对轴系晃动误差的检测,验证了所选用的轴系精度为3.8″,满足了总体技术指标在5″以内的要求.     

空间相机直线调焦机构的设计

针对空间相机在使用时受空间环境中重力、温度及压力等因素的影响,引起各光学镜面位置相对变化,从而导致像平面与焦平面不重合的问题,在分析空间相机的3种调焦方式及调焦机构设计基本原则的基础上,针对某空间相机的要求设计了一种直线调焦机构.利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,采用绝对式编码器检测位移.该机构具有低摩擦、传动简单等优点,可有效地减少过多的传动环节所带来的传动误差.采取开环控制和闭环控制两种方式检验了该机构的精度,并讨论了误差产生的原因.实验数据的统计分析及残差分析表明,直线调焦机构的开环调焦精度为0.002 5 mm,闭环调焦的精度可达到0.001 5 mm,满足0.01 mm使用要求.     

离轴三反空间相机主三镜共基准一体化结构

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点,提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板,以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分,故降低了结构整体重量,提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测,结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ,均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试,测得一阶模态频率为48 Hz,对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz,满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中,通过分时对主镜和三镜进行加工,省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间,加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率,为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。