下一代空间望远镜（NGST）——将采用单片式反射镜

美国宇航局正在对代表下一代空间望远镜(NGST)水平的第二代哈勃空间望远镜(HST)进行可行性研究。第一代哈勃空间望远镜在可见波段对星体和银河星系进行观测,并对其早期形成和演化开展宇宙学研究。第二代哈勃空间望远镜将在近红外波段对宇宙星体和星系进行观测。由于在近红外波段对天体观测要求高灵敏度探测器,光学系统口径尽可能的大,体积小,并且在至少60K低温下工作。美国宇航局最初的设计方案是采用8m直径可展开式主反射镜的超轻型光学系统,将在AtlasⅡ—AS上发射空间观测站。     

空间光学反射镜轻量化技术现状分析

随着空间光学遥感器分辨率的提高,反射式空间光学主镜口径不断增大,对反射镜进行轻量化设计已经成为空间大口径反射镜的关键技术.分别从材料选择、结构形式、制造工艺等方面对国内外空间光学反射镜的轻量化技术进行了系统的评述,分析了空间轻质反射镜技术的现状和发展趋势,并对今后的研究工作提出了建议.     

空间反射镜结构轻量化设计

随着空间光学遥感器分辨率的提高,反射式光学遥感器主镜口径不断增大,反射镜受微重力和温度的影响更加突出,对反射镜的结构进行轻量化设计已经成为空间大口径反射镜工程的关键技术。从反射镜结构轻量化的角度出发,对国内外空间光学遥感器反射镜的镜体结构和轻量化孔技术进行了系统的总结和评述,分析了轻型空间反射镜技术的现状和发展趋势,为反射镜的镜体轻量化设计提供了一定的参考依据和新思路。     

大口径光学遥感器主反射镜支撑设计

大口径主反射镜作为光学遥感器的重要部件,它的面形精度直接影响成像质量的好坏,其支撑结构设计一直是研制光学遥感器的关键技术。本文对某大口径光学遥感器主反射镜的支撑结构进行了研究,根据设计要求和理论计算方法确定了支撑点数量及分布位置,通过有限元方法分析和优化了支撑点的分布位置,结合大口径反射镜的特点加入侧面辅助支撑,得到了理想的面形精度。     

大型轻量化空间光学系统用反射镜制造技术的研究进展

由于下一代空间望远镜(NGST)和其他NASA项目需要大口径的空间光学仪器,美国马歇尔空间光学飞行中心的空间光学制造技术中心目前正致力于空间系统用轻量化光学元件的研制。本文评述了发展中的NGST技术,讨论了NGST主反射镜各部分的环境试验情况。     

某空间用主反射镜的设计

随着空间技术的发展,空间相机反射镜尺寸不断增大。本文简述了某空间相机的大尺寸SiC主反射镜的设计。从材料选择、反射镜支撑方式、方射镜轻量化等方面进行了分析讨论,并通过有限元分析软件对所设计主反射镜在重力载荷和温度载荷情况下的面型变化,以确定设计是否满足使用要求,为反射镜的设计提供依据。     

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。     

薄膜反射镜的静电成形

利用薄膜反射镜作为太空望远镜主镜是研究大口径、超轻型未来空间光学系统的最新方向之一。基于静电学原理，设计了口径Ф200 mm薄膜反射镜静电成形实验系统，该系统包括薄膜反射镜固定装置、电极板装置以及直流高压系统。采用ZYGO干涉仪和莫尔偏折术，分别对薄膜反射镜面形随直流电压的变化情况以及不同电压下薄膜反射镜的顶点曲率半径进行了观察和测量，并与理论值进行了比较和分析。实验结果表明，该系统可有效改变薄膜反射镜的面形。目前，在700 V电压下，薄膜反射镜的顶点曲率半径达17.7 m。     

空间反射镜支撑结构研究概述

随着我国遥感卫星和空间光学的发展,星载遥感器的分辨率越来越高,光学系统的主反射镜口径越来越大,其结构形式、镜体质量、支撑安装方式和温度环境都将直接影响整个系统的成像质量。本文探讨了空间反射镜支撑结构的设计,着重解决反射镜自重引起的变形问题、反射镜和支撑结构线膨胀系数不同引起的应力及变形问题, 保证反射镜的冷却和温度均匀性,保证光学系统的像质始终满足设计要求和使用要求。     

国外大型地基望远镜主镜支撑综述

对于大型地基望远镜来说,主镜支撑是关键技术之一,主镜支撑效果直接影响望远镜的观测能力,文章详细介绍了目前国际上具有代表性的一些望远镜主镜的底支撑和侧支撑方法和结构等,总结了主镜支撑的几个原则,期望对我们从事大口径望远镜的研制提供一些借鉴意义。     

柔性侧支撑在大型望远镜中的应用综述

阐述了目前大型望远镜口径的发展趋势,为保证镜面面形精度的前提下得出了柔性支撑是必不可少的环节这一现状。从力热耦合工况影响镜面面形的因素说明柔性技术在望远镜支撑系统中的必要性。概括了柔性支撑较于刚性支撑所具备的优势并且给出了柔性支撑设计时要遵循的几个原则。以柔性侧支撑为主介绍了三点切向支撑、边缘支撑、两脚架柔性支撑三种径向支撑形式,结合这三种支撑思想介绍国内外具有代表意义的几种大型望远镜中的应用实例。总结柔性支撑技术的应用领域及发展前景。希望能对柔性支撑技术的进一步发展提供一些借鉴意义。     

可展开空间光学望远镜技术发展及展望

为了获得更高的角分辨率,空间光学望远镜的口径越来越大,口径超过4 m的空间望远镜将难以突破现有运载火箭整流罩有效包络的限制。另一方面,在研制周期及成本等方面拥有较大优势的微纳光学遥感卫星也对提高空间分辨率和集光面积有广泛的需求,需要在较小的发射体积里容纳下较大的光机系统,以降低发射成本。可展开空间光学望远镜将成为解决发射尺寸受限的可行方式。从大口径空间天文望远镜、分块式可展开对地观测望远镜和光轴方向可展开微纳卫星光学望远镜等方面对国内外可展开空间光学望远镜的研究现状进行了综述。对可展开空间光学望远镜涉及到的一些关键技术和发展趋势进行了阐述和归纳。     

C/SiC在大口径空间望远镜次镜承力筒的应用

设计并研制了基于C/SiC复合材料的大口径空间望远镜次镜承力筒。首先对C/SiC复合材料的特性以及在空间遥感器领域的应用进行了介绍。其次以某大口径空间望远镜次镜承力筒为例,对不同材料下次镜承力筒的质量、力热性能进行了对比。仿真分析表明:设计的C/SiC复合材料次镜承力筒低至32 kg,相比钛合金筒减轻45.5%;基频为204 Hz,满足设计要求;更易于控制热变形对反射镜面形的影响。最终完成了C/SiC复合材料次镜承力筒的研制和主要物理性能的检测,并进行了力学振动试验考核,对振动前后结构的三坐标测量数据进行了比对。结果表明:次镜承力筒组件的基频良好,振动试验前后频漂低于1%,结构的微位移变化量级在微米级。为应用C/SiC开展空间遥感器大尺寸整体成型支撑结构的设计提供有效的参考价值。     

大口径离轴反射镜四点热锁辅助支撑设计与验证

针对大口径离轴反射镜组件高面形精度、高可靠性和高稳定性支撑的要求,设计了一种中心筒支撑配合四点可自由加、解热锁辅助支撑的离轴反射镜新型复合支撑方案,热锁部件在力学试验和发射过程中锁紧,地面测试及在轨时释放,在保证面形的同时,有效提升了反射镜组件基频及抗力学性能,并在某空间遥感器706 mm×560 mm口径离轴反射镜组件研制中进行了验证,结果表明采用四点热锁辅助支撑的反射镜组件在加锁后动态性能优良,满足基频大于120 Hz、静载30 g条件下胶应力≤3 MPa的要求,且加锁前及解锁后面形均满足RMS优于λ/40 （λ=632.8 nm）的要求,验证了该设计的有效性。     

基于SiC材料的空间相机非球面反射镜结构设计

针对空间相机中优质轻型光学反射镜对材料提出的要求,详细讨论了设计基于SiC材料空间反射镜的一系列问题,包括径厚比的选择、支撑点数量、轻量化结构形式、材料特性匹配等,提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式,并设计制造了 Φ600 mm轻量化SiC反射镜实验件。抛光后反射镜面形精度优于λ/20 rms。为验证重力变形的影响,将反射镜分别旋转了90°和180°,用Zygo干涉仪检验,3个方向检测结果误差均小于λ/100 rms。在此基础上设计完成了某空间相机中的SiC非球面主镜、次镜、第三镜,结果表明基于SiC材料的反射镜在重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求,而且与玻璃材料相比,在很大程度上降低了重量。     

双望远镜的空间碎片激光测距试验研究

大口径望远镜有助于提升空间碎片目标测量能力。根据激光测距雷达方程应用多台相对较小口径望远镜同时接收激光回波信号,可等效实现单台大口径望远镜激光信号接收能力,弥补大口径望远镜在目标快速跟踪、系统运行维护等方面不足,并可兼顾测距系统测量能力和效率。基于中国科学院上海天文台相距约55 m的1.56 m和60 cm口径望远镜系统,研究了双接收望远镜测距技术,在国内首次开展双望远镜空间碎片激光观测试验,验证了多望远镜同时接收碎片目标激光信号测量技术。测量数据结果表明:1.56 m口径望远镜激光回波接收能力是60 cm口径望远镜的约3~4倍,双望远镜可等效于一台约1.65 m口径望远镜的激光接收能力,在远距离、小尺寸空间碎片目标高精度激光观测中将发挥重要作用。     

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。     

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。