大型矩形准直镜柔性支撑系统的多目标优化设计和稳定性分析

针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统,即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构。利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计,并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究。优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm,RMS值为30.306 nm,质量为229.21 kg,满足设计要求。当环境温度变化范围在20 ℃～23.7 ℃内,不会对准直镜性能产生影响;此外,地面随机振动不会影响准直镜工作性能和破坏支撑结构。研究结果表明:准直镜柔性支撑机构的多目标优化设计全面考虑了准直镜柔性机构形状参数、机构安全可靠性和光学面形形变等多学科之间耦合问题,设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解,这将大幅度降低开发成本和周期。     

傅里叶望远镜外场实验系统拼接主镜

提出了傅里叶望远镜外场实验系统拼接主镜支撑结构,详细介绍了各组件施工及安装过程.该主镜由61块六边形球面子镜拼接而成,高6 m,宽5.5 m,是我国目前用于望远镜系统中能量接收面积最大的拼接主镜.子镜采用模块化设计,互换性好且均可实现3个自由度的精密调整.支撑桁架采用分体结构设计,便于拆装和运输;地基采用混凝土浇筑预埋...     

快速高精度电动调整镜研究

高能激光合束系统中反射镜在工作前需要进行快速高精度的指向调整。设计了一种二维电控调整镜,系统主体采用一体化的柔性支撑设计,驱动采用步进电机配合减速机构带动螺杆实现,反射镜偏转角度的精密测量采用电涡流传感器,使用数字信号处理器（DSP）作为主控模块。对系统的工作原理和设计进行了分析,对系统标定方法和控制算法进行了深入研究。为了满足系统调整速度的要求,采用S形加减速算法作为调整镜的控制算法,采用分段线性的系统标定方法。最后对系统进行了实验测试,结果表明,在±500″角度范围内,调整镜到位时间在3 s以内,控制误差小于2″,可以满足系统要求。     

φ1.8m轻质镜能动磨盘技术抛光的柔性限位支撑设计仿真与优化分析

大口径轻质反射镜采用柔性支撑结构可以降低外界力载荷、惯性载荷及热载荷的负作用,从而保证光学系统的成像质量。为消除加工、检测与系统装调过程的定位误差,研究了应用于计算机控制能动磨盘加工(CCAL)技术抛光的柔性限位支撑模型。利用有限元分析软件(Ansys),分析φ1.8m轻质镜采用柔性限位支撑时,CCAL技术抛光引起轻质镜的最大倾斜量、最大主应力以及主镜面变化范围,对支撑盘的口径及位置进行了优化设计,模拟仿真18点弹簧在不同压缩量下的镜面变形。仿真分析结果表明,柔性限位支撑的结构刚度、轻质镜底板倾斜量满足能动磨盘加工条件,最大主应力强度远小于主镜的许用应力,主镜面变形符合加工要求。     

空间可展开式望远镜反射单元镜支撑技术

介绍了下一代空间望远镜的可展开式反射镜的概念及设计方案,分析了展开式反射镜单元镜的支撑方案,目的是确定单元镜支撑点数量及排布方式。用有限元方法分析了12_6_1、12_8_1和16_8_1型三种支撑点排布方式下各自的镜面自重变形。计算结果表明,采用16_8_1型的排布方式较为合理。计算带有支撑座的单元镜在1g惯性载荷作用下,通过调节支承座位移,获得镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm)的面形,表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性。     

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。     

钢带支撑轻量化椭圆镜的变形研究

应用有限元分析方法,借助于MSC.Nastran有限元分析软件,对钢带支撑下的大尺寸轻量化椭圆反射镜进行了受力、变形分析.用Excel绘出了钢带对椭圆镜边缘的正压力的分布曲线,得出了钢带对椭圆镜的正压力在最低点最大,随着支撑位置的上升而逐渐减小的分布规律.由镜面节点变形结果计算出椭圆镜在钢带支撑下的镜面面形误差RMS值为11.7nm,满足实际系统的面形准确度要求.     

倒立式三视场施密特望远镜关键技术研究

研制了基于三分区镜的倒立式三视场施密特型望远镜，对其关键技术进行了分析。利用正三棱锥的几何对称性，推导了3个视场的视轴夹角与分区镜面夹角之间的关系式，设计了用于实现多视场观测功能的三分区镜；通过有限元法分析了倒立式施密特望远镜主镜重力形变对像质的影响，阐述了检测光路关键参数对施密特修正镜加工误差的影响程度，采用蒙特卡罗法对该光学系统的杂散光进行了分析。最后对整个光学系统进行了实验检测，检测结果表明：实际研制的三分区镜镜面之间的夹角为133.08°，可同时对相互垂直的3个视场进行观测；该望远镜光学系统的PV=0.614λ，RMS=0.105λ(λ=632.8 nm)。该系统可用于地球空间姿态测量，拓展了施密特望远镜的应用范围。     

碳化硅扫描反射镜支撑结构设计

对尺寸为460 mm×290 mm的SiC扫描反射镜的轻量化和支撑结构的设计进行了研究。基于三角形和矩形的复合轻量化结构,采用镜体背部为开放和封闭相结合的形式,设计了一种新型的扫描反射镜组件。该组件采用侧面支撑方式和轴向柔性结构,有利于消除支撑结构材料热膨胀系数不匹配产生的热应力对镜面面形的影响。有限元方法分析结果表明：反射镜组件在1 g重力载荷和8℃温度变化作用下,反射镜镜面的面形误差RMS值分别为4.5 nm和20.3 nm。该反射镜轻量化形式和支撑结构满足光学成像要求,并可有效提高结构的稳定性,对于大尺寸反射镜组件的设计具有借鉴意义。     

TMT望远镜三镜系统的研究进展

介绍30 m望远镜（TMT）的相关背景以及我国在TMT项目中承担的任务。从TMT三镜系统的总体要求出发,论述了三镜系统的两个主要部分（M3CA和M3PA）的具体要求、技术难点以及初步方案。针对M3CA,介绍了底支撑方案和侧支撑方案,采用Kinematic的底支撑方案时其面形精度RMS可以达到109.7 nm,SlopeRMS为0.95μrad,采用Kinematic的侧支撑方案时其面形精度RMS＜15 nm,一阶谐振频率等于17.7 Hz,均达到了设计要求。针对M3PA,介绍了Tilt轴系和Rotator轴系的方案。最后,简要介绍了三镜控制系统（M3CS）的要求和目标。     

φ150mm菲索干涉仪球面标准具结构分析与设计

在高精度的光学元件面形检测中,为了保证检测的精度,必须对高精度菲索干涉仪的标准镜的自重和温度变形进行严格地控制.针对高精度菲索干涉仪标准镜的精度要求,设计了一种新的标准镜装卡结构.采用有限元方法分析了标准镜在胶接方式下的表面变形情况,参考面表面变形峰谷(PV)值仅为9.6nm,均方根(RMS)值为2.1nm.同时对不同...     

1m口径主反射镜支撑系统的优化设计

应用有限元法并借助有限元分析软件建立了主镜的三维实体有限元模型,对1m主镜的支撑系统进行了优化设计。分析比较了两种常用主镜侧支撑结构,优化确定了轴向支撑半径、侧支撑方式和侧支撑点位置。分析计算显示主镜处于不同俯仰角位置时的最大面形精度RMS值为5.3nm,满足设计指标要求,该有限元优化设计方法和过程不受主镜直径及厚度的影响,适用于平面、球面、非球面甚至异形面主镜的设计。结果表明了所设计的支撑系统方案的合理性与可行性。     

望远镜主镜气压力驱动器设计

为了获取优异的光学图像质量,大口径天文望远镜通常采用主动支撑结构以校正主镜面形误差。对望远镜主镜支撑系统所需的气压驱动器进行了研究。基于气动原理设计了一种采用滚动膜片结构的气压力驱动器,其中滚动膜片结构用于消除摩擦力的影响,滚珠式力解耦器用于消除侧向力、弯矩的影响。进一步设计了针对气压驱动器带死区的比例-积分-微分(PID)控制算法,以实现对气压驱动器的闭环控制。实验结果表明:气压力驱动器可精确提供主镜控制所需的支撑力,在望远镜高角变化速度达到2°/s时,输出支撑力范围为0～1000N,驱动器支撑力误差仅为满量程的±0.4%。设计的气压驱动器可实现主动支撑力的快速精确输出,能满足天文望远镜主镜主动支撑需求。     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

3.5 m口径空间望远镜单块式主镜技术展望

主反射镜的口径大小与结构形式在极大程度上决定了空间望远镜的技术难度与经济成本。为了实现更高的空间分辨率与更强的信息收集能力,各国研制的空间望远镜主反射镜的口径朝着越来越大的趋势发展,从“哈勃空间望远镜”（HST）的2.4 m,到“新世界观测者空间望远镜”（NWO）的4 m,甚至到“先进技术大口径空间望远镜”（ATLAST）的8 m,无不体现了对超大口径空间观测能力的追求。而单块式主镜凭借其支撑技术的可靠性与经济性,正成为超大口径空间望远镜的首选。通过对国外研制的超大口径空间望远镜的论述与分析,探讨了目前空间望远镜中超大口径主反射镜的关键技术与发展方向。针对目前国内运载能力与光学制造加工能力的极限,提出了建造基于3.5 m口径主镜的空间望远镜设想。     

大口径球面镜支撑系统的优化设计

应用有限元法并借助于有限元分析软件,建立了轴对称平面单元和三维实体有限元模型.对1.2 m球面反射镜的支撑系统进行了优化设计,优化确定了轴向支撑圈数、支撑半径和支撑点排列组合、侧向支撑位置.分析计算出主镜在水平放置轴向支撑作用和竖直放置侧支撑作用下重力引起的镜面面形误差RMS值分别为2.5 nm和3.16 nm,满足设计指标要求,预示了所设计的支撑系统方案的合理可行性.     

主动光学薄镜支撑及驱动研究

随着光学遥感器分辨能力的不断提高和口径的不断增大,导致遥感器的重量越来越重,使得载体无法承受.针对此问题,提出了对薄反射镜进行主动支撑的方式,以解决口径大、重量重的问题.利用有限元分析和数学理论相结合的方法在对反射镜施加垂直镜面1g加速度(g=9.80665m/s2为重力加速度)和10℃的温升载荷情况下,对薄反射镜的位...