空间遥感器大口径反射镜的复合支撑结构

针对空间遥感器反射镜对支撑功能的需求,设计了一种应用于空间领域的大口径反射镜复合支撑结构。该复合支撑结构包括A框加切向拉杆的周边支撑和3组whiffletree结构组成的背部支撑。研究了复合支撑的支撑原理和工程实现。基于功能分配和指标分配的理念设计了复合支撑结构。采用有限元分析的手段对设计结果进行了静力学和动力学仿真验证,然后对实际的支撑系统进行了相关的试验测试。试验结果表明,采用复合支撑的反射镜组件在工作状态下的面形精度优于λ/50(λ=632.8nm),镜体刚体位移小于0.01mm,镜体转角小于2″,质量小于50kg。整个组件模态分布合理,基频为161Hz,远高于设计要求的120Hz。各项仿真和测试结果均表明该复合支撑效果良好,满足空间遥感器对可靠性和稳定性的需求。     

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。     

1.2m微晶主镜的新型支撑

针对1.2m微晶主镜,提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案,用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。分析了该机构的工作原理,实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度,并具有热解耦能力;有限元分析确认系统具有良好的支撑性能;面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25nm,光轴水平面形精度RMS为20.75nm,模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度,分析结果与实测结果符合度较好,主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%,一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性,支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。     

大口径望远镜主镜能动支撑驱动器的个体设计和性能测试

大口径望远镜主镜由于体积和质量过大,产生镜面面形变化而影响观测质量。为即时修正面形,现提出了一套力驱动器系统,利用多个该系统组成的能动支撑系统可以对镜体作用达到修正目的。采用了电机、减速器、滚珠丝杠、弹簧组为主要部件,配合传感器和控制器构成了力驱动器系统,并进行了性能实验。实验结果表明,驱动器能够达到设计要求。     

同轴轻型空间遥感器支撑桁架的设计与试验

为满足空间遥感器的高度轻量化要求,提高其结构的基频,减少100 Hz以下低频振动的影响,研究了高比刚度的轻型支撑桁架结构。针对同轴长焦距光学系统,基于三角形稳定的原理设计了一种6杆碳纤维复合材料桁架结构,并基于有限元法完成了其优化设计,使其质量降低了11%。为验证其可行性,研制了力学模拟件,进行了工程分析和动力学试验,并讨论了分析和试验的误差来源。分析和试验显示,模拟件的固有频率超过了120 Hz,表明所设计的支撑桁架合理可行,能够满足长焦距空间遥感器的使用要求。该结构在质量为13 kg的前提下,解决了目前该型遥感器基频较低的难题,该设计已成功应用于某相机结构中。     

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.     

空间大口径光学望远镜可展开主镜动力学建模研究

采用混合坐标法建立了某空间光学望远镜可展开主镜的动力学模型。在建模过程中采用固定界面子结构模态综合法,用主镜中各分瓣子镜的弹性正则模态和静力校正模态组成的模态集来表示结构变形,仿真分析了镜片柔性对系统动力学特性的影响。仿真结果表明,实际工程应用中镜片柔性对系统的影响不可忽略。     

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。     

临近空间电子设备热设计

临近空间内大功率电子设备的散热问题,由于设备发热量大且环境条件非常恶劣,一直是电子设备热设计的一个难点。现通过对临近空间环境特性进行分析,结合电子设备的热控要求,设计出了一套适用于临近空间的微型液冷散热系统,该系统通过匹配设计可以满足不同功率电子设备在临近空间的散热要求,并通过了环境试验验证,对临近空间电子设备的热设计具有一定的指导作用。     

大口径光学透镜的双级柔性支撑结构设计

为了解决大视场巡天望远镜中大口径透镜支撑问题,提出了一种双级柔性支撑结构,既可以保证透镜位置精度和面形精度,又能够克服镜框结构弹性变形的影响.首先,详细阐述了大口径光学透镜支撑结构设计中的难点及所提出的双级柔性支撑结构方案,并详述了该支撑结构克服镜框弹性变形的机理和优势.然后,根据双级柔性支撑结构的组成部分以及结构特征...     

大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。     

大口径反射镜水银带支撑结构物理参数分析

针对大口径反射镜在竖直状态下工作的情况,用有限元方法对水银带支撑结构的物理参数如带宽、支撑位置在理论上予以分析.在具体的优化计算过程中,以镜面RMS值为目标函数,考查、修改支撑结构的带宽、位置,最终确定了可获得理想面形的水银带支撑结构.分析结果表明将该水银带支撑方案应用于大口径反射镜具有可行性,并为水银带支撑结构物理参数的确定提供了数值依据.     

大口径空间组装式望远镜主动支撑促动器设计与研究

在轨组装空间望远镜是将望远镜进行模块化,模块通过一次或多次发射送入预定轨道,并在轨道上完成整机组装、调试,能够彻底突破运载工具和单体大口径镜体制造能力的制约,是未来空间光学领域的必然发展方向.在轨组装空间望远镜的重点、难点在于大口径主镜的组装、调试.主镜由多个子镜模块阵列而成,入轨组装完成后通过具备大行程、高精度、抗振...     

新型轻质大口径空间反射镜支撑设计

摘要：随着空间反射镜口径的增大,光学系统总质量随之剧增,这与当前光学遥感器轻小型化的发展趋势相矛盾。为了更好的满足空间光学遥感器发展的需要,文章从主反射镜组件的轻质化设计入手,从结构材料热匹配的设计、主镜轻量化形式的确定以及支撑结构的合理设计三个角度系统地进行了一体化结构—热设计。针对某型卡塞格林系统Φ630mm口径主镜进行了轻质化设计,三点为主多点为辅的支撑方案在保持组件结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。在综合考虑加工和工作状态后,最终确定了一种满足设计要求的整体优选方案,经最终分析计算确认,主镜组件镜面综合面形误差PV值均小于λ/10,各项指标完全满足光学系统对主反射镜的设计要求。     

敏感器主镜支撑结构的设计与分析

在给定主反射镜采用平背形状的基础上,结合设计总体要求,针对敏感器主反射镜的支撑结构的初步设计方案,利用有限元分析软件MSC.Patran进行了静力学分析和模态分析,得出了其最大变形和整体的基频与振型,对支撑结构进行了有效的优化改进,满足了光学系统的技术要求,并最终确定了满足要求的支撑结构方案.     

CO_2探测仪反射镜组件设计

为了降低重力、力学试验、发射条件以及因材料线胀系数差异导致的热变形对CO_2探测仪反射镜面形产生的影响,从反射镜组件材料选择、结构设计和配合方式几个方面进行了分析。采用SiC材料制作反射镜,结合反射镜的环形支撑方式,通过有限元分析对镜体进行轻量化设计。选取线胀系数较小的殷钢材料,利用三角形结构的稳定性和双脚架柔性结构的灵活性设计出简易可靠的反射镜支撑结构。反射镜与支撑结构接触面为1∶50的锥度面,通过环氧树脂进行胶接。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密加工和装配。对反射镜组件进行力学试验测试,结果表明在X向、Y向、Z向的一阶频率分别为445,423和444 Hz,与有限元分析结果接近。试验后镜面面形变化量PV值小于1/10λ,RMS值小于1/30(λ=632.8nm)。证明了CO_2探测仪反射镜组件结构设计与装调的合理性,满足空间高光谱成像要求。     

4m口径SiC反射镜原位检测用静压支撑系统

研制了一套用于4m SiC反射镜原位检测的静压支撑系统,以降低超大口径SiC反射镜离线检测的风险,提高其制造效率。首先,推导了单元刚度的解析式,确定了其中关键因素;然后,对支撑单元进行抽样测试,结合解析式预测了支撑群组中单元的工作刚度。最后,通过密封性测试和反射镜原位检测,验证了支撑系统的稳定性;通过有限元模拟,计算了系统的重力卸载面形精度。结果表明:5个单元连组时,单元刚度约为1.9kN/mm,刚度值分布在±3%误差区间;独立单元刚度可高至15kN/mm;3种分组单元刚度预测值分别为1.7,1.1和0.8kN/mm。支撑系统空载时管路压强变化缓慢,表明密封性良好;用该系统支撑4m反射镜时,11天内高度绝对变化量小于50μm,相对变化量小于20μm。54个单元刚度随机分布时,镜面面形高阶残差(RMS)为20nm。提出的系统基本满足原位检测的稳定性和精度要求。     

大口径光学望远镜次镜结构的设计

论文针对大口径光学望远镜次镜结构设计的任务要求,提出了一种次镜筒结构的改进方法.在设计中采用有限元分析的方法,应用NX软件建立起新结构的静力学分析模型,进而确定了次镜支撑的结构形式,并对支撑梁的参数进行了分析.分析结果表明,经过分析改进后的系统静力学与动力学性能显著提高.     

400 mm望远镜跟踪架结构设计与分析

为了满足光学望远镜在诸多新兴领域的产业化需求,结合小口径地平式光学望远镜系统,研制了一套400 mm望远镜跟踪架。首先,为了使跟踪架满足产业化需求并适宜批量生产工艺,对跟踪架进行了模块化设计,并详细说明了方位轴系、俯仰轴系结构,同时分析了轴系理论晃动误差;然后,为了使望远镜系统稳定可靠地工作,即跟踪架需具备较好的静态特性和动态特性,对跟踪架进行力学分析,分析其承载能力和模态特性;最后,为了满足望远镜的指向和跟踪性能,即跟踪架需具备较高的轴系精度,利用千分表实测方位轴系的晃动误差,利用高精度自准直经纬仪、平面反射镜实测俯仰轴系的晃动误差和两轴垂直度误差。分析结果表明,跟踪架具有较高的承载能力和较好的模态特性,其系统一阶谐振频率达到85.16 Hz。检测结果表明,跟踪架具有较高的轴系精度,方位轴系最大晃动误差为3.2″,俯仰轴系最大晃动误差为2.6″,两轴垂直度误差为2.4″。分析及测试结果表明,400 mm望远镜跟踪架结构设计合理可行,满足使用要求。