薄型折反系统布局及金属主镜安装影响分析

对于含口径80 mm 的高次非球面金属主镜、主镜顶点到像面距离仅为17.5 mm 的薄型折反式光学系统,设计了带3 安装耳的主镜,并利用组件合并及周向同环交错前向安装的方式,在保证所有光机件顺利布局的基础上,有效增加了主镜镜体厚度提高了结构刚度。为分析金属主镜在安装应力下的面形,利用ANSYS 预紧力单元模拟螺钉连接的预紧力,在模态校核的基础上分析了主镜柔性支撑环板在不同厚度以及安装面不平时的波面变形。提出的轴向受限的主镜组件结构方案、安装应力变形的集成分析方法及解决方案,为提高主镜的装配面形精度以保证光学系统的成像质量提供了光机设计参考。     

400 mm跟踪望远镜结构设计和分析

针对主镜口径为400 mm口径的跟踪望远镜的设计要求,提出了一种有效的结构形式。首先确定了望远镜的光学结构形式和系统参数,并将整个系统分成了几个主要组成部分。接着着重确定了主镜室的结构形式,通过优化最佳支撑位置确定了主镜的支撑结构;同时确定了次镜室以及三翼梁的结构。然后运用有限元建模、分析的方法,重点分析了反射镜的面形精度受重力变形和温度变化的影响,进行了整个望远镜系统的刚度分析和温度变化对主次镜间隔的影响。保证了主镜在极限情况下面形RMS 30/,整个系统具有较好的刚度和环境适应性。分析结果表明,反射镜支撑结构以及整个系统的设计均达到了设计要求,可以为类似结构提供一定的指导。     

大口径望远镜主镜支撑系统装调

针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统,为保证主镜面形精度均方根要求,提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理,分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构,以保证其在较大温差范围内（-20~60℃）以及不同俯仰状态下（垂直-水平）始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力,明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析,根据结果制定装调流程,并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后,采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测,检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为/42和/31（=632.8 nm）。     

分块式空间望远镜的光机热集成分析

高分辨率空间望远镜目前通常采用分块可展开主镜.对主镜进行有限元热分析获得的镜面变形数据无法直接输入光学设计软件进行像质评价,需要进行数据转换.传统的以拟合圆域正交Zemike多项式作为光机热集成分析的数据转换接口的方法不适于分析非圆孔径的分块镜.提出了采用二维插值算法进行数据转换,该方法不受光瞳形状和镜面空间频率的限制.用Matlab编制了光机热接口分析软件,分析了不同温度变化对空间望远镜分块镜成像质量的影响.仿真结果表明:热浸泡和径向热梯度对像质影响较小,而轴向热梯度对像质影响较大.     

大口径望远镜主镜中心定位机构研究

通过对大口径光电望远镜中主镜中心定位机构的研究分析,设计了一种胀紧圈球头形式的中心定位机构,指出了其优缺点和在望远镜中适合应用的口径大小以及工况要求.定位机构在望远镜主镜支撑结构中,实现了主镜在垂直于光轴方向的平面内的有效定位,并且与主镜底支撑和侧支撑联合作用,承担部分主镜的载荷,保证了主镜的面形精度.同时,定位机构还...     

某空间望远镜光机热集成分析

光机热集成分析技术是光学分析和结构分析相结合的一种有效手段。根据空间望远镜所处的环境,用有限元法在Ansys软件中进行热应力分析,通过接口工具Zernike多项式实现各个软件的数据交互。在VC++平台下编写了基于Gram-Schmidt正交化法的接口程序,将拟合后的多项式导入到Zemax中进行了分析。实现了光机集成分析的完整过程。实践证明,这一方法正确可靠,简化了光机热集成分析的过程,为光学系统和光机结构热匹配设计提供了重要设计依据。     

空间相机波像差灵敏度及集成仿真方法

针对一种空间相机新型单杆主承力结构,采用波像差灵敏度模型和集成仿真分析两种方法,实现光机结构轻量化设计过程中的系统波像差评价,以保证在力学条件下的成像质量。所提出的波像差灵敏度方法能够基于波像差与失调量的线性关系进行构建,对于以相机成像质量为约束条件指导光机结构的优化设计具有重要意义。首先,基于光学系统的失调原理,推导了光学元件失调量与系统波像差的灵敏度模型。然后,采用有限元方法获取力学工况下的节点位移量,并基于最佳拟合（best-fit）方法计算主、次镜的失调量,对失调后的系统进行光学分析得到系统的波像差。最后,针对5 kg级空间光学相机,采用所提出的两种方法进行了建模与分析,并开展了相应的重力工况分析与试验。灵敏度分析方法相对于光机集成软件仿真方法误差为16.8%,所提出的方法能够应用于设计阶段对系统成像性能的快速评估。     

大口径主焦点式光学系统轻量化结构设计、分析与试验

针对主焦点式光学系统的特点,对某φ700 mm极轴式望远镜光机结构部分采用模块化设计,分别对主镜室组件、连接镜筒和校正镜镜筒和全系统结构进行了有限元分析与优化,使系统总重不超过700 kg,系统弯沉不超过4".利用平行光管检测系统像质表明,系统80%能力集中度在4×4个像元以内,系统像质理想,符合设计要求,说明该结构设...     

红外窗口热变形对零位检测成像质量影响分析

针对一个双层红外窗口进行了完整地光机热集成分析,包括结构设计、结构有限元分析以及热光学特性分析。利用MSC Nastran和Hypermesh对光机结构系统在轴向温度梯度场下进行热弹性分析。分析可知双层红外窗口的最大位移形变量为1.01×10-1 mm,将有限元节点位移信息代入Zemax中,光学系统在9.0 lp/mm处最终的MTF依然在0.2左右,符合设计需求,验证了所设计使用的双层红外窗口的热光学适应性。     

极轴式望远镜主镜支撑结构对镜面变形的影响

根据极轴式望远镜的工作特点,以口径为700 mm的极轴式望远镜主镜室系统为例,确定了一套主镜支撑方案。借助于有限元分析软件MSC.Patran详细地建立了系统的有限元模型,选取多种工况,分析了系统在自重作用下的镜面变形情况,绘制了镜面变形误差PV值和RMS值的变化曲线。结果表明:镜面变形主要受角的影响,随着的增大而减小,径向支撑效果优于轴向支撑效果,镜面变形误差满足设计指标要求。在主镜室系统竖直放置时,利用Zygo干涉仪测得带支撑结构的镜面变形误差RMS值为28.48 nm,表明主镜在该支撑结构作用下的面形接近于加工检测时的状态,同时也验证了有限元模型的准确性。     

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。     

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。     

卡式红外光学系统光机分析及结构优化

光学仪器通常都工作在一定的温度环境中,温度变化将造成光机系统的结构尺寸以及光学介质的特性等参数发生变化。针对卡式红外光学系统工作环境温度变化范围大的特点,进行了热补偿结构设计。并利用有限元方法,对主镜及其支撑结构进行了分析,明确了导致镜面变形和结构参数变化的主要因素为大范围的温度变化。在此基础上,对支撑结构进行了改进和参数的优化设计。研究结果表明:改进后的结构是合理可行的。     

大口径反射镜轻量化及其支撑结构设计

为了满足大口径(800mm400mm)矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求,采用背部3点支撑方式,基于Bipod原理,为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构。分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响,选取其中影响较大的参量作为设计变量,对镜体轻量化结构进行了优化设计,并进行了有限元分析。结果表明,优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。振动试验结果与有限元分析结果相符,证明了其准确性。     

某空间反射镜支撑装调技术

为了降低反射镜支撑装调对反射镜面形精度的影响,文中针对某空间相机的反射镜组件,设计了一种带有柔性环节的反射镜支撑方式,制定了反射镜组件的装调方法及路线。通过计算给出了反射镜粘结胶层厚度、粘结区域、柔性铰链等参数,并对反射镜组件进行了重力和5 ℃温变共同作用下的有限元分析。最后,根据装调工艺对反射镜组件进行粘胶、固化处理,并通过反射镜组件力学试验和热真空试验对装调方法进行验证。试验结果表明:力学和热真空环境下反射镜粘胶没有破坏,该反射镜组件的面形精度优于1/50 。验证了反射镜支撑方案以及装调方法的有效性。     

深低温SiC空间反射镜背部与侧面支撑结构对比

在深低温下的反射镜及其支撑结构设计中,温度变化作用下的面形精度是空间反射镜性能的重要影响因素。以温度变化作用下的面形RMS为性能指标,基于碳化硅反射镜不同支撑结构和不同材料搭配形式下对空间反射镜的面形变化进行对比研究。首先,在深低温下对背部支撑和侧面支撑的以下两种情况进行仿真分析:(a)反射镜和支撑结构都用碳化硅制造;(b)反射镜用碳化硅制造,支撑结构用其他材料制造。仿真分析得到在(a)条件下背部支撑结构能获得更好的面形,在(b)条件下,侧面支撑结构能获得更好的面形;然后对侧面支撑结构中不同材料搭配情况下对面形精度的影响进行研究,对面形RMS与反射镜材料的线膨胀系数,支撑结构材料的线膨胀系数和反射镜材料与支撑结构材料的线膨胀系数之差的绝对值之间的关系用多元线性回归方法进行统计分析,研究其影响程度,分析得到线膨胀系数之差的绝对值对面形精度RMS的影响更大。研究取得的成果和研究思路对今后的深低温光学反射镜及其支撑结构设计提供参考。     

空间相机大口径主镜支撑结构设计

空间相机大口径主镜的支撑技术一直是空间相机研制的关键技术.本文介绍了一种相机大口径主镜球铰支撑结构在研制过程中出现的镜面面形随着外界装配条件及温度的变化出现像散的问题,并通过对球铰支撑结构的分析与研究,找出球铰支撑结构的弱点,提出一种新型的柔性支撑结构,通过工程分析及优化确定了柔性支撑结构,利用各种环境试验,证明该支撑...     

望远镜次镜钢索支撑结构动力学分析

为了增加大口径望远镜次镜支撑结构第一阶固有频率,采用施加有预紧力的八根钢索取代原有的四翼梁结构。文中首先根据Euler-Bernoulli梁理论将此次镜支撑结构简化为一个由质量点和梁组成的简化模型并使用变分法得出系统固有频率表达式以及系统第一阶固有频率;然后以1.23 m望远镜为例,计算得出预紧力为20 000 N时系统第一阶固有频率为18.9 Hz与有限元仿真软件ANSYS得出的17.8 Hz相比误差为6%,证明了简化的可行性与理论的正确性。最后通过分析次镜室质量不变的情况下,不同主镜口径下预紧力与次镜支撑结构第一阶模态的关系,得出对于1.23 m望远镜,施加70 000 N的预紧力即可以使一阶模态达到34 Hz,对于2 m、4 m口径的望远镜,通过调节预紧力,可以将一阶频率控制在20 Hz以上的结论。文中的方法可以用于类似结构的动力学特性计算;同时这种结构具有较高的抗扭转刚度,并能够有效减轻次镜支撑结构的重量,对于大口径光学系统的设计有很好的指导意义。