视频空间相机Φ330mm口径主镜组件设计

为满足视频空间相机中反射镜组件的轻量化、高刚度、高稳定性和短加工周期的要求,采用基于ZERODUR微晶玻璃的背部单拱形镜体轻量化方案,设计了一种外圆芯轴粘接的柔性支撑结构.通过有限元工程分析与基于响应面优化设计,确定了支撑结构的最优尺寸.对反射镜组件进行了模态试验,并完成了镜面的非球面光学加工与检测.试验结果表明:主镜组件的一阶自然频率为332.5 Hz,与分析结果之间的相对误差为2.5%;主镜组件在绕光轴分别旋转0°、120°与240°方向进行光学检测时,面形精度均方根值均优于λ/40,实现了地面重力对反射镜面形检测零影响,组件满足设计要求.     

空间同轴三反相机前镜身结构设计与验证

空间同轴三反相机前镜身结构支撑相机的主、次镜,影响相机的成像性能和稳定性,是光学系统的敏感环节.针对长焦距空间同轴三反相机光学系统,为了获得刚性好、温度稳定性好的前镜身结构,本文从殷钢、碳纤维这二种低膨胀系数、高刚度的结构材料进行了优选,通过有限元分析比较,选择力学特性更好、重量更轻的碳纤维复合材料；通过力学特性和光学...     

高分辨率空间相机共轴三反光学系统实现形式研究

为了设计出高分辨率空间相机的光学系统,研究了反射式光学系统中存在次镜对主镜的中心遮拦等问题.通过对共轴三反射光学系统结构参数和最终视场在像面上的分布情况的分析,提出了半视场、全视场和环形视场3种光学形式,设计了焦距为3000mm、F数为10的3种形式的共轴三反光学系统.设计结果表明:3种共轴三反光学系统在有效视场角内成像质量均接近衍射极限,可以满足高分辨率空间相机不同的使用要求,指出半视场共轴三反光学系统适合于线阵CCD推扫成像,全视场共轴三反光学系统可用于面阵CCD凝视成像,环形视场共轴三反光学系统可实现一台相机上全色和多光谱成像的要求.     

中心支撑610mm圆形主镜的超轻量化设计

为满足轻小卫星相机质量更轻、性能更好的要求,对某离轴三反空间相机610mm口径圆形主镜进行了超轻量化设计.选用背部中心单点支撑方式,采用变筋厚和变筋高的设计形式,结合集成优化方法,设计的主镜质量仅为6.23kg,面密度约为21.3kg/m2.并设计了主镜的支撑结构,仿真分析了组件的静、动力学性能.结果表明:三个方向重力工况下主镜的面形准确度(RMS值)均优于6nm,4℃均匀温变载荷工况下主镜的面形准确度优于1nm;主镜组件的一阶自然频率为112 Hz,频响分析的最大应力发生在钛合金柔性连接件的螺栓孔处,最大应力值为104 MPa,远小于钛合金的屈服极限870 MPa.主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,本文所述单点支撑形式的最大适用口径为683mm,为同类型空间反射镜的超轻量化设计提供了思路和参考.     

空间相机光机结构导热特性分析与计算

对空间相机进行热光学分析,必须掌握相机的非稳态温度场和热致位移场。要计算温度场,必须对其光机结构的热特性有一定的了解。对空间相机的各个主要光学组件（ 前、后组校正镜组、球面与平面反射镜、窗口玻璃组件） 建立简化传热模型,进行等效热阻计算,给出了它们的温差表达式,分析了各镜组件的导热特性,为热光学分析的温度场计算工作提供条件。     

激光空间合束主镜优化设计与分析

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析,以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变,提高主镜面形精度。首先,对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点,从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式;然后,利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析,并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计;最后,对主镜进行重力、环境适应性和基频分析,验证设计的合理性。分析结果表明:6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下,随着辐照时间的增加,镜面温升值和P-V值逐渐增大;辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4℃,P-V值为155 nm,受镜体结构影响,辐照区内热畸变值不一致,差值约占镜面P-V值的1/6;为改善热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化达54.5%,辐照区热畸变一致性好,镜面热畸变量减小了近1/3;不同俯仰姿态下,主镜重力变形值基本相同,不足10 nm;环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移,稳态温差值越大,主镜面形P-V值和镜面平移量越大;模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。     

基于相同参数抛物镜面旋转阵列的太阳能槽式聚光器聚焦特性研究

针对吉林一号某轻型空间遥感相机的任务需求，以碳纤维复合材料的薄壁筒与桁架杆一体式成型为设计思路，基于拓扑优化、尺寸优化以及铺层优化设计了一种高稳定性的次镜支撑结构。工程分析和实验结果表明一体式碳纤维次镜支撑结构具有较好的结构稳定性，整体质量仅为1.3 kg,其在轨成像质量良好，这进一步验证了一体式碳纤维次镜支撑结构的可靠性和设计方法的正确性。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

离轴二镜平行光管的光学设计

介绍了大口径长焦距离轴二镜平行光管的设计过程,给出了系统初始结构的求解方程,并分析了主次镜同轴设计方法的缺陷.为提高系统像质,提出了在主次镜同轴方法的基础上对次镜绕主镜焦点旋转的离轴化方法.以一个离轴二镜平行光管作为设计实例,计算了次镜离轴对系统像质的影响,通过次镜的离轴优化,得到了成像质量良好的光学系统设计结果.     

近紫外天底成像光谱仪结构设计

针对大气环境监测和预报的需求,设计了一种满足光学系统要求的近紫外天底成像光谱仪.首先根据给定的光学系统,设计了设备的总体构形,对主镜和次镜进行了变密度拓扑优化,并对各模块进行布局功能设计;然后对方案进行了有限元仿真分析,同时对设备系统进行了光机热集成分析;最后进行了实验验证.实验结果表明:设备一阶频率大于i00 Hz;正弦振动实验最大放大倍数为1.04;随机振动实验结果最大误差为4.72％;力学实验前后设备光谱特性一致.实验结果证明了所提结构设计满足各项技术要求,为今后近紫外天底成像光谱仪结构设计提供了一种新的参考.     

基于低体分SiC/Al主镜框的空间相机主支撑结构热特性分析与验证

基于微小卫星平台对高分辨相机的重量约束,以高分微纳卫星CX6-02数字超分辨相机研制为例,提出一种基于低体分SiC/Al主镜框的空间相机主支撑的结构形式,并开展主镜框一体拓扑优化设计分析和试验验证。Zernike多项式计算及光机热集成仿真结果验证了低体分SiC/Al主镜框作为空间相机主支撑结构的有效性。热光试验数据及在轨成像结果表明,兼具主支撑功能的低体分SiC/Al主镜框的空间相机试验数据与仿真数据基本吻合,且性能稳定,可为未来采用低体分SiC/Al主镜框作为主支撑的航天相机轻量化设计和研制提供理论与技术参考。     

Ф210mm超薄超轻SiC反射镜多目标集成优化设计

为了提高轻小型碳化硅反射镜的面形精度并减轻其加工成本,针对某空间相机的Φ210mm SiC反射镜进行超轻量化设计.采用背部三点支撑并优化支撑点的位置,通过拓扑优化,得到反射镜背部需保留和可去除材料的分布情况.结合背部开放式、三角形孔的轻量化方案,确定反射镜轻量化结构的初始模型.应用多目标集成优化方法,建立以反射镜重量和X向自重工况面形为目标,Z向自重工况面形值为约束的优化模型,对该反射镜进行了优化设计.优化后反射镜的X向自重工况下RMS值仅为0.18nm,Z向自重工况下RMS值为2.38nm,重量仅为0.568kg,面密度达到16.9kg/m~2,X、Y、Z三向基频都在500Hz以上.本文设计的反射镜结构有良好的力学性能,本文优化设计方法是合理有效性.     

大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法

介绍了一种大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法,该方法是一种理论性强、效率高的新型轻量化优化设计方法。采用变密度法建立连续体结构拓扑优化数学模型,利用OPTISTRUCT优化软件,以主反射镜光轴垂直时在自重作用下的镜面变形与第一阶自然频率作为约束,将主反射镜体积最小作为目标函数进行了连续体拓扑优化。依据优化的拓扑结构形式,结合结构力学及灵敏度分析得到了满足镜面面型、结构刚度及轻量化率要求的最佳主反射镜轻量化结构。     

卡塞格林系统装调过程中高精度测角方法

为了能够准确测量同轴三反相机中次镜的倾斜量变化,提出一种新的角度测量方法,即用大口径干涉仪与经纬仪相结合进行测量。以主镜为测量基准,两镜相对倾角较小时,使用大口径干涉仪同时测量两镜的干涉条纹,相对倾斜角度过大时次镜无干涉条纹,加入一台经纬仪分别自准直于干涉仪和次镜,间接测量两镜相对夹角。通过模拟计算与实验验证表明,对于次镜组件倾角测量误差可以控制在0.5″以内。结果表明,该检测方法具有通用性强,测量精度高等特点,克服了传统检测方法测量精度不足的问题。     

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.     

基于动力学性能的超高速摄影仪转镜的设计

为探索超高速摄影仪转镜的设计,提出了系统性的转镜动力学性能设计理论和方法。结合静力学和动力学理论,利用有限元分析软件对初始设计的转镜进行静强度、模态、谐响应、固有频率灵敏度进行数值分析,并对数值分析结果进行试验验证,根据分析结果反复修改相应的转镜的结构尺寸并设计新的转镜,对新设计的转镜进行交变力疲劳分析和试验。结果发现,初始设计转镜的最大应力小于转镜材料的屈服强度,转镜不会出现静强度失效;转镜一阶临界转速落在工作转速以内,其动力学特性不满足要求;镜体外接圆半径与转镜的固有频率负相关且相关程度最高;新转镜的一阶固有频率从459.4 Hz增大到713.6 Hz,变化率55.3%,转镜的一阶临界转速达到42 816 r/min,成功地避开了共振点,且疲劳强度满足设计要求。     

长条型SiC反射镜轻量化及支撑结构的设计

从满足空间光学遥感器反射镜在复杂工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了长条型反射镜柔性支撑结构材料的选择,讨论了反射镜轻量化及柔性支撑结构的设计方法,采用有限元法进行了工程分析及多次迭代优化,设计出了一种在不同重力方向下引入面形误差变化量RMS值小于λ/40(λ=632.8nm)的反射镜柔性支撑结构。检测实验证明,各项指标均满足设计要求。     

空间相机主支撑结构优化设计方法的研究

描述了空间相机运载发射及在轨运行阶段经历的力学和热环境,提出空间相机主支撑结构优化设计方法,用有限元分析法对卡塞格林和TMA两种具体空间相机光学系统主支撑结构进行了优化设计。对拓扑优化前后分析结果进行比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41Hz提高到72Hz,重量降低15%;TMA光学系统主支撑结构一阶固有频率不变,重量降低35%。结果表明,采用此优化设计方法不仅缩短了设计周期,而且有效地降低了支撑结构重量,提高了主支撑结构的性能,满足系统设计要求。     

离轴反射式平行光管设计及次镜检验方案研究

平行光管是光学实验室常用的光学精密仪器,通过光源照射靶标模拟无穷远目标,是光学系统装调、测试必需的设备。设计了一个有效口径为200 mm、焦距为5 000 mm的平行光管,采用离轴两反射式系统结构,视场角为0.35°,主次镜都为非球面,次镜为凸双曲面,系统中心视场波像差设计值达到1/62 λ,边缘视场波像差设计值达到1/21 λ。对该平行光管次镜检验方案进行了研究,提出了一种简单可靠的凸双曲面次镜正面检验方案。     

基于SiC材料的大长宽比长条型反射镜轻量化结构设计

介绍了一种大长宽比长条型反射镜的轻量化结构设计方法.讨论了反射镜的材料选择和轻量化结构形式,同时在轻量化设计过程中引入拓扑优化方法,以反射镜柔性变形为设计约束,以最小体积为设计目标,经过迭代计算得到最优结果.根据优化结果,建立反射镜的三维实体模型,并利用MSC.Patran软件建立反射镜的有限元模型,对影响反射镜自重变...