空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验

随着空间光学遥感器地面分辨率逐步提高,长焦距、大口径相机成为重点研究方向。为了克服重力变化、复合材料变形等因素带来的天地不一致性的问题,次镜调整成为校正光学遥感器离焦和主次镜相对位置变化的关键技术之一。将次镜柔性支撑、精密直线驱动与柔性铰链传动技术相结合,设计了一套高精度次镜调整机构。首先介绍了该套机构的光机构成、工作原理及传动链路,然后对超轻次镜、高精度直线致动、高精度调焦传动等设计分别进行了阐述,最后介绍了力学环境试验后的调整精度测试情况。试验结果表明,该套精密调整机构实测调整行程大于±120μm,轴向调整步距精度0.18μm (3σ值),调整行程内次镜的最大平移误差为1.30μm,最大倾斜误差为1.93″,具有调整范围宽、调整精度高的特点,满足空间光学遥感器精密次镜调整的要求,已成功在轨应用于北京三号B卫星0.5 m级高分辨率空间相机。     

同轴反射式空间相机新型次镜支架结构

为提高同轴空间相机次镜安装结构的稳定性,减小因次镜位置变化对相机成像质量的影响,深入研究了次镜支架结构。针对同轴长焦距相机光学系统的特点和传统次镜支架存在的不足,基于三角形稳定的原理设计了一种新型次镜支架,有限元分析结果表明:在相同质量条件下,该结构的基频、抗扭刚度和沿光轴方向的刚度相对传统结构均大大提高,其中基频提高了20%以上。为验证该结构的可行性,研制了两种钛合金样机结构。试验表明,轻量化后的支架质量仅1.7kg,基频可达293Hz。该结构解决了传统次镜支架结构刚度低、基频低的难题,并实现了高轻量化和高比刚度,容易加工和装配,适用于可见光和红外多种类型空间相机,已在某可见光空间相机中成功应用。     

空间相机次镜调整机构的改进布谷鸟标定方法

为了提高空间相机次镜Stewart型调整机构的定位精度,需要完成机构的精密标定。针对6-PSS Stewart机构,首先依据最小二乘原则,利用驱动残差构建了参数标定模型。其次为提高标定优化问题的全局求解精度,采用自适应路径（Variable Step Adaptive,VSA）及限界处理对单纯形布谷鸟算法进行改进,并应用于标定优化问题求解。数值仿真表明其求解能力并优于单纯型布谷鸟算法。最后,为保证标定的全行程有效性,规划了包含位姿六元素的试验数据采样方法。实验结果表明,经过该方法标定后,位姿采样点处最大位移误差由19.97 m降为9.68 m,最大转角误差由123.84降为最大8.86,在非采样点处最大误差与采样点处在同一量级水平。基于上述模型、算法和采样位姿规划的标定方法可有效提高定位精度,且标定结果在全行程区域内有效。     

空间同轴三反相机φ520 mm次镜的加工与检测

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求,提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段,首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨,其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛,最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工;在检测阶段,首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制,进入干涉仪测量范围后,再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例,对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测,其面形精度RMS为0.015（=632.8 nm）,几何参数控制精度△R误差为0.1 mm、△K优于0.1%,满足光学设计技术指标要求。     

激光聚焦次镜支撑小型三自由度机构运动分析

提出了利用一种可实现一个移动和两个转动的小型3自由度(3-DOF)并联机构来控制支撑激光聚焦次镜的方案。采用传统的欧拉角描述动平台运动方式,建立了小型3-PRS机构的运动学模型,分析了机构的正、逆运动学性能,进行了包括约束雅克比矩阵的建立和伴生运动的求解。基于运动学分析,定性分析了机构的奇异位形。联合ADAMS与MATLAB,计算了机构的可达工作空间,动平台绕x轴最大运动角度为15.167 1;绕y轴最大运动角度为13.319 4;沿z轴方向的移动大约为9.954 1 mm,分析证明该小型3-PRS机构完全满足支撑激光聚焦次镜结构的设计要求。     

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。     

新型副镜并联调整机构非线性特性及校正

为满足望远镜副镜结构定位精度的要求,提出一种固定杆长杆端轴向平移运动模式的六杆并联机构。从微分几何的观点研究了该机构输入关节空间向量与输出工作空间向量之间的非线性运动学特性,并采用曲率概念度量解轨迹的非线性弯曲。通过与雅可比矩阵的对比分析可知,采用曲率度量并联机构的非线性和采用雅克比矩阵反映的瞬时线性性质一致,所设计的副镜并联调整机构在整个运动行程范围内的最大非线性误差约为3.15 μm。测试结果表明:采用多项式误差曲线拟合校正之后,该副镜调整机构三维平移重复定位精度小于2.6 μm,二维旋转重复定位精度小于1.8″,满足实际望远镜观测的需要,采用的曲率度量法也可以为其他并联机构的非线性分析和校正提供一种新的思路。     

空间光学次镜平台的运动学分析和控制系统设计

为解决空间光学次镜的高精度定位需求设计了一种六自由度并联次镜平台,对并联平台进行运动学分析,并设计了平台的闭环控制系统。根据设计的并联次镜平台结构,搭建了实验硬件系统,编写了软件控制程序,对运动分析结果及控制系统进行实验验证。实验结果表明,所设计的控制系统可以实现六自由度并联次镜平台的运动控制,运动控制精度能够达到0.02mm。     

空间望远镜次镜六自由度调整机构精密控制

为满足空间望远镜在轨主动光学控制需求,需要精密调整次镜相对于主镜的六自由度位姿,为此,针对6-PSS Stewart平台构型的次镜精密调整机构,设计完成了基于并联机器人关节空间方法的运动控制系统。以DSP和FPGA为核心处理器,编码器为反馈元件,集成电机三相桥为驱动元件,设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制电路。基于次镜调整机构的顶层逆运动学模型和底层连杆控制系统,设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制算法,该方法参数易于调整,利于工程实现,满足空间运动机构高可靠性调整需求。试验结果表明,该运动控制系统能够满足全行程内0.7 m （位移）和3（角度）运动调整精度需求,能够满足空间望远镜主动光学调整任务。     

用于空间聚光结构的折展机构设计与分析

针对空间太阳能电站大口径聚光结构的应用需求与运载条件相矛盾的情况,以离轴式聚光系统为研究基础,设计了一种具有折叠展开功能的次镜支撑机构。机构采用三关节串联结构为主,两组平行四杆机构为辅,可实现水平、竖直的两次展开,并能保证次镜组件在展开过程中始终保持平动状态。通过建立机构折展的运动学方程,对机构的工作空间进行了求解,规划了展开方案;对机构展开的位置、姿态精度进行了研究,分析了展开精度对机构各结构参数的敏感度;最后,在ADAMS软件中建立了折展机构的虚拟样机,对展开过程进行了仿真,验证了机构设计的正确性与合理性。     

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。     

高分辨力空间遥感器次镜支撑设计

长焦距空间遥感器次镜热控实施难度大、发射动态响应大,因此,必须具有较宽的温度适应范围和较高的动态刚度.文中阐明了次镜支撑方式的基本原则,并从材料选择、消热设计等角度出发,设计了一种柔性支撑结构;对该支撑的3个柔性环节进行了灵敏度分析,得到了各自对次镜面形精度影响的程度;通过优化设计确定了该支撑的尺寸参数,并对次镜组件进...     

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。     

2 m级望远镜主动调节侧向支撑机构设计与优化

基于某2 m轻量化SiC主镜,设计了一种新型主动调节侧支撑机构。先分析常用的侧向支撑机构的结构形式和特点;再设计由位移促动器、柔性铰链结构和嵌入杠杆系统等部件组成的主动调节支撑机构;最后,对机构的支撑力和移动量进行有限元分析,并且搭建实验平台,对其进行刚度和调节能力测试。试验结果表明:当支撑力为562.55 N时,杠杆结构中位移促动器承受的力为97.57 N,大大降低了位移促动器的刚度、强度要求;位移促动器行程为0.065 mm,是支撑杆中的22倍,大大降低了位移促动器分辨率要求;试验测得刚度为1 225 N/mm,达到了设计要求,表明这种柔性杠杆支撑系统具有很好的工程应用能力。     

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。     

星载激光雷达望远镜主镜光机分析与优化

针对研制和集成完的直径为1 m的激光雷达望远镜,介绍了望远镜主镜系统的结构设计,并分析了主镜二级背板安装点匹配失调及主镜挠性支撑脚作用对主镜面形的影响。通过建立主镜系统的有限元模型开展光机分析,并对分析结果进行了处理,使其能够与集成装校时的干涉测量波前图进行直接对比,得出二级背板与光学基板安装点匹配失调是导致主镜形变过大的主要原因。针对此问题对望远镜主镜系统结构进行了改进,通过有限元光机结构分析,预计优化后的结构能够有效地减小匹配失调导致的主镜形变,将使主镜均方根形变量从0.3降至0.097（=632.8 nm）,满足激光雷达要求的0.15面形要求。