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...     

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.     

微纳遥感相机一体式超轻主支撑结构优化设计

针对某型号微纳遥感相机超轻质、低功耗、短周期和低成本的要求,设计了一种一体式超轻主支撑结构。从微纳遥感相机的任务需求出发,经过比较后选择钛合金作为主支撑结构的材料,并从质量和功耗两方面考虑选择了桁架式方案。建立了以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,推导了目标函数的灵敏度,并通过采用改进的Heaviside密度滤波方法,得到了拓扑结果清晰的主支撑结构最优传力路径。以基频为目标函数建立尺寸的优化数学模型,得到了各部分的最佳设计尺寸,设计完成后的一体式主支撑结构质量为0.6 kg。有限元分析与实验结果表明:一体式主支撑结构能够满足光学系统的公差要求,且基频远高于卫星平台对光学载荷的要求,验证了拓扑优化设计方法和尺寸优化设计方法的正确性以及设计的合理性。     

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。     

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.     

大尺寸矩形准直镜轻量化结构多学科优化设计

在极大望远镜宽视场光谱仪准直镜结构轻量化研究中，实施多学科多目标优化的可行性设计。通过多目标遗传算法结合多学科协同对准直镜轻量化结构进行优化设计，即以镜面形状要素为优化参数、镜面面型和质量为目标，并借助遗传算法为优化算法获取Pareto最优解。对比研究了不同轻量化孔轻量化后综合性能和轻量化后准直镜的热稳定性，三角型轻量化后准直镜轻量化率为70%，PV值为82.696 nm; 矩形轻量化孔准直镜轻量化率为75.3%，PV值约为107.03 nm; 准直镜环境温度变化为10 K时，准直镜形变约增加一倍。研究结果表明:三角形轻量化孔综合评价优于矩形孔; 准直镜结构轻量化多目标优化设计全面考虑了准直镜结构轻量化、轻量化孔形状要素和光学面型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。     

空间相机碳纤维复合材料主次镜连接筒设计

设计并研制了碳纤维复合材料主次镜连接筒.根据光学设计中的公差分配,结合复合材料层合板理论,分析了复合材料铺层设计对面内刚度和轴向及周向热膨胀系数的影响,确定了最终的铺层方式.利用有限元软件分析了重力作用下及温度变化时主次镜间的位置变化及连接筒的模态分布.最后,完成了碳纤维复合材料薄壁连接筒的成型和精加工,检测了主次镜系统光学性能,并对装配完成后的相机进行了鉴定级力学试验.分析结果表明:在1g重力载荷及2℃温升耦合作用下,次镜偏心小于0.002mm,次镜倾斜小于2″,主次镜连接筒及次镜系统组合体基频达到265Hz,满足光学设计要求和结构稳定性要求.光学性能检测结果及力学试验结果表明,主次镜系统波像差满足装配要求,主次镜连接筒能够承受鉴定级力学试验考核,连接主次镜的两端响应放大仅1.7倍,体现了良好的阻尼性能.本文中研制的主次镜连接筒重量仅为6.4kg,实现了高轻量化和高刚度,满足空间相机对主次镜位置精度和稳定性的要求.     

四翼梁式次镜支撑结构的研究

为了优化大型望远镜次镜支撑结构的静力学和动力学性能,采用有限元分析的方法,计算了次镜支座最大变形与次镜支座的偏置角、四翼梁叶片厚度的关系;分析了四翼梁结构的频率与叶片偏置角的关系.分析证明当次镜支座偏置一定角度时能改善结构的静力学性能;当相对的两片叶片从直径线上错开一定的距离,对提高望远镜的谐振频率是十分有利的,在两者之间综合取舍确定了四翼梁的优化形式.分析结果表明,优化后的四翼梁结构的静力学和动力学性能均有提高.     

空间光学遥感器次镜参数化设计

根据某空间遥感器次镜设计指标要求,采用ANASYS多参数优化设计功能对次镜轻量化进行优化设计。利用UG软件建立反射镜体结构的参数化模型,在ANSYS中将有关结构参数变量指定为优化设计变量,以反射镜体在地面重力作用下的镜面变形误差以及反射镜支撑孔位移为零作为约束条件,结合有限元法对镜体轻量化结构的尺寸参数进行优化分析,得到了轻量化率达到80.635%,镜面面形精度RMS为6.953 nm,PV值为31.317 nm,满足设计要求的反射镜。     

基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统,主要包括前置望远物镜、准直镜、Wollaston棱镜组、成像镜和补偿滤光片。此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。光束经过Wollaston棱镜组分光,为了使不同波长对应景物不至于重叠,要求分束角度比较大,这样进入成像镜的光线入射角度相对较大,无疑增加了成像镜的设计难度。分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统。全系统结构复杂,光学系统的光阑必须匹配好。为了使得不仅单个镜头成像质量良好,而且镜组之间能够良好的衔接,将前置望远物镜设计为像方远心结构,准直镜设计为物方远心结构。全系统采用多重结构,使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限,点列图中RMS值基本都在艾里斑以内,系统成像质量良好。