某空间望远镜相关跟踪系统摆镜随机振动分析

介绍了基础激励下机构随机振动响应的理论与分析方法.利用有限元分析软件ANSYS建立了某空间望远镜相关跟踪系统摆镜的有限元模型,并进行了随机振动响应分析.通过分析考察了其承受动力学环境的能力.对计算结果进行了分析.指出了现有结构中的薄弱环节,提出了改进方案,为摆镜的设计提供了重要参考依据.     

空间指向摆镜的轻量化研究

摆镜轻量化研究的问题主要有两个:一是摆镜的材料,二是摆镜的结构形式和结构参数.在综合比较材料的力学和热学特性后,选取碳化硅和融石英作为摆镜的初始材料;摆镜采用了失芯式结构和蜂窝状轻量化单元,通过计算和分析选定了摆镜的初始结构参数后,对摆镜进行了有限元分析,结果证明轻量化摆镜在保持摆镜刚度不变的情况下有效地减轻了摆镜的重量.     

大长宽比长条形SiC反射镜的优化设计与试验

针对某离轴三反光学系统中的大长宽比长条形SiC反射镜镜面边缘随机振动加速度响应均方根值过大的特点,提出一种采用"基结构法"的反射镜结构拓扑优化方法,以随机振动加速度响应均方根值最小化为优化目标.首先对某初始反射镜结构进行有限元分析,发现反射镜镜面边缘点Z向加速度响应均方根值过大.其次,应用连续体结构拓扑优化思想,以反射镜镜面边缘点的随机振动加速度响应均方根值作为优化目标,以镜面峰谷值、镜体一阶约束频率作为约束条件,以反射镜筋板式基结构作为优化空间,对反射镜镜体结构进行拓扑优化设计,得到了一种各项力学性能指标及面形精度均满足指标要求的反射镜轻量化结构.最后,通过有限元分析与振动试验,验证了本文设计的反射镜结构拥有良好的力学性能,其中反射镜镜体质量相比优化前降低了13%,镜面边缘点的Z向随机振动加速度响应均方根值降低了58%,证明了本文优化方法的有效性.     

某空间望远镜相关跟踪系统摆镜的设计与研究

分析了相关跟踪系统摆镜的设计要求,对摆镜的减重方式进行了研究.选择SiC材料作为镜体材料,设计了三种镜体结构.使用Ansys作为求解器对所设计的镜体结构进行了自重条件下的静力分析,以及频率为100 HZ、振幅±0.1 mrad时的瞬态动力学分析,并给出了不同镜体结构下的计算结果比较.为便于处理有限元结果数据和光学表征参量的关系,在MATLAB环境下编写了统一数据处理程序.计算结果表明所设计的三种方案能够满足光学系统的性能要求.     

某空间望远镜相关跟踪系统摆镜的设计与研究

分析了相关跟踪系统摆镜的设计要求,对摆镜的减重方式进行了研究.选择SiC材料作为镜体材料,设计了三种镜体结构.使用Ansys作为求解器对所设计的镜体结构进行了自重条件下的静力分析,以及频率为100 HZ、振幅±0.1 mrad时的瞬态动力学分析,并给出了不同镜体结构下的计算结果比较.为便于处理有限元结果数据和光学表征参量的关系,在MATLAB环境下编写了统一数据处理程序.计算结果表明所设计的三种方案能够满足光学系统的性能要求.     

空间同轴反射式次镜支撑结构优化设计与实验验证

根据传统同轴反射式次镜支撑结构特点,建立了以传统次镜支撑结构外包络为基础的次镜支撑待优化模型,并采用变密度拓扑优化方法对该模型进行优化设计.根据拓扑优化结果设计了遮拦比为0.085的同轴反射式次镜支撑结构.有限元仿真结果表明:在结构遮拦比、质量相同的情况下,优化后同轴反射式次镜支撑结构的结构基频和结构刚度相较于传统三翼和四翼结构均有显著提高.加工了优化后的次镜支撑结构,并进行了随机振动试验.试验结果表明:优化后的次镜支撑结构基频为470 Hz,与有限元仿真结果477Hz的相对误差在2%以内,验证了有限元计算模型的可靠性和真实性.该次镜支撑结构适用于需要较低遮拦比和较高刚度的同轴反射式光学系统中.     

多节点激光通信天线紧凑型摆镜组件设计

为了减小多节点激光通信天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。采用高体分铝基碳化硅(SiC/Al)支撑板与H-K9L反射镜直接黏接的方案,提高了摆镜面形的热稳定性,摆镜回转中心至镜面的距离被缩短至20mm。黏接面采用三点薄圆环的设计,在保证摆镜组件动态刚度的前提下有效降低了黏接应力对摆镜面形的影响。有限元分析结果表明,摆镜组件的基频为1319.96Hz,在(20±5)℃工作温度范围内,面形峰谷(PV)值优于λ/4(λ=632.8nm),面形均方根(RMS)值优于λ/22。使用ZYGO激光干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明,在(20±5)℃温度范围内,摆镜面形的PV值优于λ/4,RMS值优于λ/29,满足激光通信天线RMS为λ/15的指标要求。     

空间两维指向摆镜的成象分析

本文分析了航天摄影相机的指向摆镜统二轴摆动时的成家关系,讨论了摆镜引起的象倾斜及象倾斜角与摆镜摆角的关系,并论述了象倾斜的校正方法;本文还讨论了摆镜对地面的扫描轨迹和覆盖范围.     

指向摆镜的精度分析

在光学反射矢量公式的基础上,通过坐标变换和矢量分析,对指向摆镜的位置对地面观测目标的影响进行了分析,得出了在允许的光谱成像仪对地观测误差的条件下,指向摆镜的转角准确度和定位准确度,为指向摆镜的设计与装调提供了理论依据.     

空间相机反射镜组件的随机振动疲劳分析

针对空间相机反射镜组件在随机振动试验中出现的疲劳破坏问题,为了保证结构的安全,应用有限元方法预测结构随机振动疲劳寿命。首先建立了反射镜组件有限元模型,然后进行了模态和频率响应分析,最后利用MSC.Fatigue软件结合材料S-N曲线和载荷谱进行了随机振动疲劳分析。通过分析得到反射镜组件的疲劳寿命最小为80235s,其位置在柔性支撑结构的十字筋处。结果表明,反射镜组件的疲劳寿命远大于试验的所需时间,满足设计要求,可以对材料的选取和结构的优化设计做出快速响应,为结构随机振动疲劳寿命的研究提供参考和依据。     

Co-focus experiment of segmented mirror

In this paper, an active optics and co-focus experimental system of segmented mirror is built. Firstly, a support structure of segmented mirror is designed and it is verified by simulation to meet the requirement for the experimental system of segmented mirror. In this system, the large de-focus and tilt/tip errors of the segmented mirror are adjusted by observing the density and contrast of interference fringes based on isoclinic interference theory until the defocus and tilt/tip errors are in the detective range of the Shack–Hartmann. Then, the Shack–Hartmann is used to measure them and they are adjusted by actuators. The actuators are controlled by active optics to realize the closed-loop adjustment and maintenance for fine co-focus of segmented mirror. And the interference fringes are utilized to verify the detective precision of Shack–Hartmann. After the co-focus fine-tuning of the segmented mirror, the tilt/tip residual surface error is better than 0.01λ RMS; the defocus residual surface error is better than 0.01λ RMS.     

空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响, 采用高体份SiC/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先, 通过合理的结构设计及有限元分析比较, 确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数, 然后, 对反射镜组件进行了静力学和动力学分析, 在1 g重力载荷作用下, 反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为12.6, 12.7, 12.6 nm, 达到了λ/50(λ=632.8 nm)。最后, 为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力, 对反射镜组件进行了力学试验, 反射镜组件的一阶谐振频率为556.6 Hz。力学试验前后, 反射镜镜面面形误差RMS分别为0.021λ、0.025λ, 没有明显变化。实验结果表明:高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求, 能够满足空间应用。     

大型离轴三反空间相机前框架优化设计与试验

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度,针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点,设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构,并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机,并对整机进行有限元分析.结果表明,光轴呈水平状态,次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″,次镜相对于主镜的偏心为0.021mm,均在光学系统公差要求范围内.此外,对前框架结构进行自由模态分析与试验,结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.     

用于地基望远镜的高分辨率倾斜镜设计

根据多镜面地基望远镜在近红外实现共相衍射极限成像的需求,提出了一种基于压电堆栈致动器的高分辨率倾斜镜设计方案。该方案以哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构(RADS)作为倾斜镜的运动传递元件,压电堆栈致动器(PSA)作为动力元件,并使用电涡流传感器作为角度测量部件。介绍了高分辨倾斜镜的工作原理,并对哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构进行设计。柔性铰链和位移缩小结构的关键结构参数均采用理论计算、实验和仿真进行优化。建立倾斜镜模型,利用理论计算和有限元仿真软件分别计算倾斜镜的倾斜角度和分辨率。实验结果表明:设计的倾斜镜角度分辨率达到0.017″,最大倾斜角度为14.6″,谐振频率为136.97 Hz,与有限元仿真结果相吻合,满足地基望远镜系统衍射极限成像的要求。     

基于子结构技术的光机装置反射镜组件的稳定性分析

反射镜组件是光机装置的重要组成部分,反射镜片的转角稳定性对光路的传输有着直接影响。为了分析获得在地脉动载荷作用下反射镜片的转角响应,分别基于整体结构建模技术和子结构技术建立了某光机装置简化结构的有限元模型,并分析获得了装置中两个反射镜片的转角响应。两种方法得到的反射镜片的转角响应差别分别为3.99%,11.84%,说明基于子结构技术开展光机装置反射镜架组件的稳定性分析是可行的。     

超高速摄影仪中铝转镜的模态分析

在有限元计算技术基础上,利用动力学理论提出了超高速摄影仪中转镜的模态分析方法,它能够较为精确模拟出任何结构转镜的固有频率及对应的振型.对三面体铝合金转镜的模拟结果表明,运用该方法设计转镜的临界点,可保证实际运转中临界点出现在选定的转速范围.     

小型反射镜支撑方案的设计与分析

从满足空间小型光学遥感器反射镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了长圆形小型反射镜及其支撑结构材料的选择,讨论了反射镜柔性支撑结构的设计方法,运用CAD/CAE工程分析软件对其进行了分析和优化,应用有限元法优化出了一种合理的反射镜柔性支撑结构。经过动力学试验验证,证明了该结构具有足够的动态特性。     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。