大型空间望远镜次镜背板的优化设计北大核心CSCD

针对2 m量级大型离轴三反空间相机,采用并联机构作为次镜的调整机构。并且将调整机构动平台直接作为次镜支撑背板使用,增加了结构刚度,同时也使整机结构更加紧凑。因此,背板是次镜组件的核心零件。背板的材料采用具有良好尺寸稳定性、比刚度高的60 SiC/Al。由于背板承上启下的重要性,决定了背板对自身重量及刚度有很高的要求,因此采用以刚度为目标对其进行拓扑优化设计,并且以背板质量和基频作为目标对背板面板与加强筋的尺寸进行多目标尺寸优化;最终优化后的背板质量为1.42 kg,基频达到954 Hz。最后对次镜组件进行静力学分析及动力学分析,结果表明:重力与4℃温升耦合工况下重力方向位移与面形RMS值最大:最大位移为9.651μm,面形RMS值为7.535 nm;次镜组件约束状态下的一阶固有频率为115 Hz,满足大型空间望远镜在轨成像要求。     

临近空间望远镜次镜优化设计

根据临近空间球载望远镜高力热稳定性、高性能的要求，对其次镜组件进行优化设计。临近空间球载望远镜虽然没有火箭发射力学环境严苛，但是其独特的飞行过程受到温度变化、加速度等影响，同时由气球搭载升空，质量要求较为严格。相比于传统反射镜设计方法，采用实体优化和基结构优化相结合的方法，集成优化对镜体进行设计，引入综合评价因子优化次镜综合性能，最终次镜组件性能良好，说明优化方法有效。通过有限元仿真分析得次镜组件在重力和±3 ℃均匀温变工况下刚体位移小于3 μm，面形精度优于λ/50，在0.02 mm装配误差下面形精度优于1 nm。次镜组件一阶频率为203.8 Hz，10 g加速度应力响应（35.4 MPa）远小于材料屈服应力。采用该方法优化可获得高力热稳定性、高性能的次镜组件。     

紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜拓扑优化设计

为了研究某紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜工作在运动状态的轻量化问题,提出了以扫描镜动态面形为设计约束的拓扑优化方法.对设计约束进行了有效的简化,降低了计算的复杂程度.使用拓扑优化方法得到了在转动条件下扫描镜的最优轻量化形式.分析结果表明,拓扑优化后的扫描镜轻量化率为47.3%,动态面形PV值和RMS值分别为19.36 nm和5.65 nm,比优化前分别提高了18.45%和17.40%,同时,扫描镜的一阶频率提高了113.8 Hz.分析结果说明了以动态面形为设计约束进行扫描镜拓扑优化的合理性.     

机载红外系统主反射镜的拓扑优化设计

反射镜轻量化设计一直是光机结构设计领域的一项挑战性课题。针对某机载红外光学系统的主反射镜,提出了一种基于 SIMP 拓扑优化方法的反射镜轻量化设计流程,建立了反射镜拓扑优化的数学模型,以最小化镜体自重和抛光载荷作用下的镜面矢高位移 RMS 值为优化目标,同时考虑对称约束和拔模约束,对反射镜进行了拓扑优化设计。根据拓扑优化结果设计了新的反射镜轻量化结构,并将其与传统结构进行了对比。采用拓扑优化方法设计的反射镜具有更高的轻量化率,同时能够获得较高的面形精度。     

基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计

为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求,研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先,基于连续体结构拓扑优化的思想,以单元虚拟密度为设计变量,以位移变形和一阶频率及质量为优化约束,应变能最小为优化目标,建立了底座设计的拓扑优化数学模型,并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度;然后,对底座结构应用拓扑优化设计,并以所得的理想概念构型为基础,进行底座结构的详细设计;最后,采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明,底座质量从27.66 t减至22.15 t;最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm;一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz;在减小质量的同时,有效提高了底座结构的静刚度和动刚度,验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。     

大口径反射镜水平集拓扑优化设计

为了设计适用于空间望远镜的具有质量轻、刚度高、高面形精度特点的大尺寸反射镜,提出了基于水平集方法的反射镜拓扑优化设计方法。首先,在口径1 m反射镜镜体初始结构模型的基础上建立有限元模型,基于SIGFIT采用DRESP2建立面形RMS的目标响应函数,将镜面面形精度直接作为目标函数,在重量约束条件下,基于变密度算法与水平集拓扑方法分别进行优化设计,并基于OSSmooth功能对设计结果分离阈值进行研究。通过对优化模型分离阈值进行分析,得到最优化的输出结构模型。采用水平集方法的拓扑优化设计方法的中间密度单元格数目远小于变密度方法,输出结构边界连接性更好。优化模型面形RMS值小于/50（=632.8 nm）,满足设计指标。     

IC基板传输机器人末端执行器结构拓扑优化设计

在半导体封装基板检测的传输过程中,末端执行器对其快速稳定高效率的传输起着关键作用。在满足设计强度、刚度的条件下,以末端执行器轻量化为目标,建立了末端执行器的三维模型,利用有限元分析软件ANSYS对基板传输机器人末端执行器进行静力学和模态分析,得到末端执行器在最大载荷情况下的应力、应变特性和对应的振型,并对其进行拓扑优化设计,根据拓扑优化结果建立新的末端执行器结构,对新的结构进行强度校核,验证设计方案的有效性。研究结果表明,优化后末端执行器的前四阶固有频率都大于伺服电动机的回转频率(50Hz),质量减少了26.7%,较好地实现了轻量化的目标,同时为后续的相关产品研制提供了一种新的技术方案。     

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。     

红外光电系统机械固定件的拓扑优化设计

红外光电系统机械件复杂度高,在满足稳定性要求的前提下,对结构的轻量化有着更急迫的需求。本文采用ANSYS拓扑优化方法对某红外光电系统进行拓扑优化设计,并以电源固定件为例,以结构柔度最小为设计目标,单元密度为设计变量,实现30%的体积约束,并对拓扑优化的结果进行模型重构。与初始经验设计方案对比,优化重构后的固定件减重37.8%,且结构的刚度和强度均得到了提升。进而表明,拓扑优化方法可以为红外光电系统结构的轻量化设计提供有利的借鉴。     

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）。     

地基大型望远镜数字通信系统的设计

数据通信系统是整个大型望远镜的数据传输中枢。针对地基大型望远镜分系统多,信号种类繁杂、分布不均匀和分布距离较远等特点,设计了一种基于大规模集成电路FPGA的数据通信系统。系统分为机上数据通信系统和机下数据通信系统两部分,机上与机下数据通信系统通过单根光纤进行连接。系统最多可提供60路RS422、32路TTL、10路RS485和4路RS232同步传输。同时,系统以GPS时钟频率为基准频率产生多种工作时序,为望远镜提供同步工作脉冲;通过采集曝光脉冲对应时刻的时间数据和编码器数据锁存当前的时空信息。硬件方面采用XILINX公司的Virtex-5系列FPGA为核心处理芯片完成该系统的设计,实验结果表明系统可满足大型望远镜数据通信的需求。     

大口径望远镜主镜保护盖设计

针对某米级光学望远镜设计了四门对开花瓣式主镜保护盖。简要介绍了国内外已建成大口径望远镜主镜保护盖的主要结构形式,利用铰链四杆机构的演化偏置曲柄滑块机构为基体进行优化设计,得出一种不需曲柄存在的四杆机构,建立运动学模型,对其受力状态进行分析,计算了电机所需的驱动力矩、滑块的移动位移及镜盖开关时间。实际工程应用表明,该保护盖对主镜能够有效防尘及保护,单次打开或关闭时间约为62.5 s,在长春地区无故障使用时间大于一年,免维护开关次数大于500次。满足系统设计要求,为后续研究者提供了设计参考。     

大口径大视场望远镜探测器平面度检测方法综述

为了更好地适应大口径大视场望远镜的成像要求,在相机焦平面拼接多个CCD使其能够覆盖望远镜的全视场成为大口径大视场望远镜光学相机设计的重点。本文系统地总结了当前国内外探测器平面度测量方法的最新研究进展,对比了应用较广的扫描白光干涉仪、三角激光测量仪以及激光同轴位移器的特点。文章还结合了国外大口径大视场望远镜中的相机焦平面靶面拼接特点,对其测量方法及设备进行了详细介绍和总结分析,为大口径大视场地基光电望远镜焦平面拼接探测器的平面度测量提供一定的经验参考。     

大口径望远镜jitter检测与评估综述

为了更好地理解与评估大口径系统jitter,首先对jitter的概念进行了描述,之后对jitter的来源,影响因素等展开了论述;然后着重介绍了30 m望远镜的三镜系统(thirty meter telescope tertiary mirror,TMT M3),其要求在系统准直标校之后jitter的要求为0.1″RMS,经过自适应滤波之后为0.2 mas RMS,针对该要求,对TMT M3 jitter的分析与检测要求以及步骤进行了介绍。最后,从主动隔振以及控制策略的角度简述了对jitter的抑制方法。文章对理解jitter的产生与性质以及jitter的抑制都有着较好的指导意义。     

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。     

大相对孔径紧凑型非制冷光学系统消热设计

对常用光学被动消热技术措施进行了归纳总结。针对长波非制冷光学系统大相对孔径、高透过率、小型化和良好环境适应性等特点,基于640×512大面阵非制冷探测器的应用,利用CODE V光学设计软件,设计了一个焦距f＝70 mm,视场角为10.44°×8.36°,F数为0.85,总长为85 mm的三片式光学系统。在－50～70℃温度范围内,所有视场的MTF 值在25 lp／mm处均大于0.61,光学畸变小于0.5％,光学系统成像质量良好。公差分析结果表明光学零件加工和光机装配工艺成熟稳定,光学系统设计具有良好的工程可研制性。     

大型望远镜拼接弧线永磁电机电流谐波抑制

望远镜口径的增加使得其轴系驱动电机越来越大,近年来拼接电机成为国际上研究的热点.拼接弧线永磁电机的电流谐波影响大型天文望远镜目标观测轴系跟踪精度,文中根据拼接弧线电机的数学模型及谐波分析,提出了一种基于准比例-谐振控制器的电流谐波抑制算法,并设计了单元拼接弧线电机相应的电流控制器.仿真和实验分别对比了PI和准比例谐振控...     

大视场大孔径制冷型红外光学系统设计北大核心CSCD

介绍了适用于4096×4096,F/#1的大靶面制冷型中波探测器的大视场大孔径红外成像系统的设计方案,采用二次成像的方式,减小大物镜的口径,提高孔径利用率;计算得到满足要求的初始结构,并分析了像差特性;通过优化初始结构、采用折/衍混合器件及非球面等方式校正大口径大视场带来的高阶像差。系统工作波段为37~48μm,焦距为60mm,视场角2ω=52°。全视场在50 lp/mm处的MTF高于045,满足设计要求。经过设计优化,实现了100冷光阑效率。