Φ510mm SiC超轻量化反射镜的设计与有限元分析

针对Φ510mmSiC超轻量化反射镜的研制,提出了一剖面为船型、内部为正三角形、面板加密呈正六边形的轻量化结构。当设计重量为1.85kg时,通过调整各个结构参数与另外两种相同重量的轻量化结构进行了比较。结果表明,在同样背部6点支撑作用下,该超轻量化结构在光轴指向天顶时由自重引起的面形(RMS)具有较大优势。利用Patran\Nastran有限元软件模拟计算了该超轻量化反射镜在光轴水平状态下的自重镜面变形,并对其进行了热力学及动力学特性分析。分析结果显示,该超轻量化反射镜各项指标均能满足使用要求。最终,根据设计结果试制加工了一块镜坯,初步加工后的重量约为2.2kg,面密度约为10.8kg/m2,已达到目前SiC超轻量化反射镜的先进水平。     

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.     

基于增材制造的空间反射镜拓扑优化设计

传统的空间反射镜存在研制周期长、成本高的问题,为了缩短反射镜的研制周期并节约成本,将拓扑优化与增材制造技术相结合,以满足反射镜面形精度要求为前提,对高轻量化率的反射镜结构进行了拓扑优化设计与增材制造。首先,在确定反射镜材料和初始参数后,建立了反射镜的拓扑优化数学模型,并在拓扑优化中引入了可制造性约束,获得了满足面形精度要求的反射镜背部创新加强筋结构;然后,对反射镜模型进行了有限元分析,分析了缩比模型与原尺寸模型的等效性;最后,采用选区激光熔化技术,以AlSi10Mg铝合金粉末为材料,进行了反射镜缩比模型增材制造试验。研究结果表明：在自重载荷下,光轴竖直方向裸镜面形精度达到峰谷值164.3 nm,均方根值27.6 nm,优化后的反射镜质量为4.75 kg,轻量化率达到了85%,实现了反射镜高轻量化率设计;采用增材制造技术后,获得了高度还原拓扑优化反射镜结构的效果,可为空间反射镜的高效研制提供参考。     

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法.该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化.首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型.文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000 Hz,轻量化率达到86.0％.得到的结果验证了本文方法的有效性.     

大口径轻质反射镜坯的制造

给出了制造大口径轻质反射镜坯的机械法减重技术及所制造的反射镜坯.在镜坯制造过程中通过计算机辅助设计搜索轻量化加工区域的形状、大小、深度,并对其进行分类标识;编辑TPH(toolpath)轨迹数据文件,编写CNC(comput ernumbercontrol)数控系统的零件加工程序,由数控系统在图形方式下控制实际加工.同时采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹.加工出的大口径轻质反射镜坯达到设计要求,轻量化率达到65%以上,加工后的非球面面形精度达到0.029λ(rms,λ=633nm).制造过程中在不同支撑状态下,变形量很小,保持了非球面面形精度稳定性,显示出了结构的稳定性.该方法已经成为大口径反射镜制造的关键支撑技术.     

同步卫星激光通信指向机构反射镜设计方法

激光通信终端按功能可分为机械转台部分和光学部分。单反射镜结构转台中,通信光先经反射镜反射,再配合方位、俯仰方向的角度调整,实现光轴的精确对准。反射镜作为系统中的重要光学元件,也是激光通信中的关键技术,为整个通信系统的像质提供了保证。针对反射镜在设计过程中要遵循结构上轻量化、工作过程中镜面变形小的原则,文中提出了一种关于反射镜的设计方法,包括轻量化方案及创新性的支撑方法。首先经过调研,确定反射镜镜面尺寸和形状;其次进行轻量化设计,包括截面形状对比、材料选择、加筋后变形分析等;新的支撑方案进一步减小了镜面变形。文中所提出的设计方法为设计者提供了参考。     

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。     

参数优化方法在轻质反射镜结构设计中的应用

介绍了一种对反射镜轻量化结构进行优化设计的方法。利用ANSYS软件对采用扇形开口孔轻量化的某遥感器主反射镜建立参数化结构模型,将对反射镜力学性能影响较大的某些结构参数如镜体厚度、扇形孔的位置、尺寸等指定为优化设计变量,根据反射镜的加工和装配工艺合理地确定这些结构设计变量的可行域,运用ANSYS优化设计模块提供的零阶优化方法对镜体结构进行了优化设计。力学分析表明,经过优化后的反射镜结构相比于原设计方案轻量化程度更高,静力学性能更好。     

大口径反射镜几种轻量化孔结构形式的分析

针对某空间相机的主反射镜,根据目前的光学器件的加工工艺性,利用CAD技术对反射镜镜体进行有限元建模,分析了反射镜的几种轻量化孔的结构形式对镜体动、静态刚度的影响,从而优化出符合反射镜面形精度要求的轻量化孔的最佳结构形式.     

全景式航空相机扫描反射镜及支撑结构设计

扫描反射镜是航空相机光路转折、像移补偿和自准直调焦的关键部件,扫描反射镜及其支撑结构的设计水平对航空相机的性能有重要影响。以某全景式航空相机为例,在总结了扫描反射镜尺寸、轻量化结构、柔性支撑结构的一般设计方法基础上,设计了三角形和四边形轻量化孔组合形式的扫描反射镜结构,并提出了一种背部三点柔性支撑结构形式,经验证可以满足设计指标中对反射镜面型精度的要求。     

大口径空间反射镜大容差支撑结构设计与优化

针对传统反射镜无法消除加工及装配应力,长期使用后面形精度下降不能满足使用要求的问题,提出了一种高稳定性空间反射镜支撑结构的解决方案,进行了具有大容差特性的1.5m口径高精度空间反射镜工程化研究和创制。依据经验和理论,完成了初始反射镜组件构型,反射镜的材料选用RB-SiC,采用三角形背部半开口反射镜轻量化形式和背部三点膜片型柔性支撑结构。以装配误差0.01mm的9种工况下反射镜的面形RMS变化量最小为目标,利用isight软件对反射镜支撑结构的主要尺寸进行了优化设计。最终完成了轻量化率为82.1%,组件质量为170.23kg的反射镜的研制。试验结果表明:反射镜在1 g重力作用下,面形精度RMS优于0.016λ(λ=632.8nm);加入0.02mm强迫位移模拟装配误差,面形RMS仍然为0.016λ;在20℃±5℃温变环境下,面形RMS变化量在0.002λ范围内;组件一阶固有频率为101.3Hz。反射镜组件静态刚度、动态刚度、面形精度以及环境适应性满足空间工程应用要求。     

主动调节刚性支撑薄膜型反射镜面形调整机构的研究

空间光学的发展对光学系统的轻量化提出越来越高的要求,作为一种超轻量化的方法,介绍了主动调节刚性支撑薄膜型反射镜的概念,这种薄模型反射镜由美国率先提出,并制造出口径500mm厚2mm的模型镜,反射镜的面形通过均匀分布的致动器的微量移动来调整,致动器的最小位移是20nm.美国使用压电陶瓷做致动器,有利于实现系统的轻量化.在试验阶段,设计一套机械微动装置来代替压电陶瓷做致动器,它的微动原理是利用杠杆减速机构及球面上的不同点的矢高变化来得到所需要的微位移,这套机构具有结构简易,重量轻,易于加工制造的特点,同时具有较高的灵敏度.     

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。     

主反射镜轻量化工程分析计算

采用了空间遥感相机主反射镜背部打圆孔的轻量化方案,对轻量化主镜进行了CAD实体模型构造及重量和轻量化率的计算,建立了轻量化主镜的有限元模型,进行了静力学和动力学分析和计算,并对轻量化和未轻量比的主镜的自振频率进行了比较。计算结果表明,主镜的轻量比设计满足技术要求,轻量化主镜的动态刚度、比刚度得到提高,轻量化率达30%以上,并还有轻量化的余地。上述结果对主镜的改进设计有重要的意义。     

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。     

基于多目标优化理论的空间反射镜加强结构轻量化设计

空间望远镜的分辨力与反射镜口径成正比,但反射镜口径的增大导致其质量以三次方的比例增重,以致镜面变形恶劣和发射成本增加。针对此问题,文中基于多层次优化和多目标优化理论对反射镜进行轻量化设计。首先建立反射镜的几何模型并分析载荷工况,针对反射镜多工况下的参数要求,以反射镜轴向重力工况下的刚度最大和低阶固有频率最大为目标,用折衷规划法和平均频率法建立多目标优化的目标函数进行多目标拓扑优化;根据优化结果进行反射镜的加强筋布置;最后以加强筋的宽度为变量,进行多目标尺寸优化实现加强筋的尺寸寻优。计算分析结果表明:优化后反射镜结构在满足原有性能要求的基础上质量减少了7.2%,实现了轻量化设计。     

径向温度梯度对轻量化反射镜面形精度的影响

为了分析径向温度梯度对轻量化反射镜面形精度的影响,以某空间相机2m口径轻量化反射镜为研究对象,建立了反射镜有限元模型,分析了不同分布形式的径向温度梯度对轻量化反射镜面形RMS的影响程度,通过试验验证了仿真方法及结论的准确性,研究了不同轻量化结构与径向温度梯度对反射镜面形精度的耦合影响。结果表明:不同分布模式的径向温度梯度引起的面形RMS值最大可相差294倍,且径向梯度引起的面形误差无法通过优化反射镜支撑方案的方式使其减小。不同轻量化结构的反射镜面形精度对不同分布模式的径向温度梯度敏感度不同,三叶式削边和对称式削边的轻量化方式在特定径向温度场分布模式下,会对反射镜热稳定性产生极不利影响。     

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。     

空间反射镜轻量化技术的研究进展

为了提高空间光学系统的分辨能力,大幅度降低昂贵的发射成本,空间反射镜的轻量化技术被不断深入研究。分析了空间反射镜轻量化的技术途径：选用适当的材料;反射镜轻量化外形、拓扑结构和支撑形式的设计;集成分析与优化。总结了空间反射镜轻量化技术的未来趋势是光、机、热、电、控和材料的一体化分析与全面的多学科多目标优化。     

空间光通信中Cassegrain系统支撑结构设计

本文主反射镜采用边缘固定形式,主、次反射镜支撑结构能有效且稳定的调节主反射镜与次反射镜的位置关系,在工作过程中为保证其主反射镜与次反射镜的距离不变(在温度的变化中),利用线膨胀系数小的殷钢杆连接次反射镜与本体.利用FEM分析次镜在此结构支撑下的谐振频率,是否避开飞机的谐振频率.以及主反射镜在此结构支撑条件下自重及温度所引起的面形变化,通过计算所得镜面变形的PV值和RMS值来评价是否超差.