空间光学遥感器主镜加工过程中疲劳寿命研究

针对空间光学遥感器主镜镜面加工过程中,磨盘与主镜间磨削动作往复运行引起的主镜柔性支撑结构疲劳寿命问题,通过建立主镜组件的有限元模型,利用MSC.Fatigue软件按应力-寿命(S-N)法对主镜组件进行了疲劳寿命分析,确定了支撑结构的薄弱部位,并对仿真过程进行了误差分析,讨论了影响仿真结果的各个因素.对比热真空试验和动力学试验前后主镜镜面面型数据,验证了支撑结构加工、设计参量的合理性.通过疲劳寿命仿真分析,可以有效预示光学结构在加工过程中的疲劳情况,为空间光学遥感器结构的设计、加工提供理论依据和参考.     

空间光学遥感器主镜加工过程中疲劳寿命研究

针对空间光学遥感器主镜镜面加工过程中,磨盘与主镜间磨削动作往复运行引起的主镜柔性支撑结构疲劳寿命问题,通过建立主镜组件的有限元模型,利用MSC.Fatigue软件按应力-寿命(S-N)法对主镜组件进行了疲劳寿命分析,确定了支撑结构的薄弱部位,并对仿真过程进行了误差分析,讨论了影响仿真结果的各个因素.对比热真空试验和动力学试验前后主镜镜面面型数据,验证了支撑结构加工、设计参量的合理性.通过疲劳寿命仿真分析,可以有效预示光学结构在加工过程中的疲劳情况,为空间光学遥感器结构的设计、加工提供理论依据和参考.     

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。     

空间相机中主镜及其支撑方案设计与分析方法

叙述了现代空间相机对主镜的特殊要求。总结了主镜对空间相机性能具有重要影响的主要因素,即形状、材料、轻量化形式、支撑方式、微重力的影响和热尺寸稳定性等,并说明了在设计时应考虑的问题。重点论述了在对主镜进行分析时的多学科集成仿真方法、一般分析过程和迭代仿真分析策略,以及有限元法的工程分析的误差和光学元件面形评价方法。实践证明,该研究方法在空间相机设计与制造中是切实可行的。     

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。     

振动疲劳寿命分析在主镜支撑结构设计中的应用

通过随机振动峰值应力响应考核空间相机在随机振动环境下主镜支撑结构的可靠性存在一定的局限性。本文针对主镜支撑结构在随机振动试验中出现断裂的现象,采用振动疲劳寿命分析对结构的可靠性进行考察,提出了应用数值仿真技术预测结构随机振动疲劳寿命的方法。根据有限元和随机振动疲劳相关理论,采用振动疲劳分析软件对某空间相机支撑环柔节进行了随机振动疲劳分析,计算了疲劳寿命的大小及分布。比较仿真和随机振动试验结果表明,采用振动疲劳寿命评价随机振动环境下结构的可靠性是合理的,利用数值仿真技术预测结构的随机振动疲劳寿命是可行的。     

1.2m轻量化SiC主镜支撑系统优化设计

针对1.2 m轻量化SiC主镜,提出了轴向支撑采用18点Whiffle-tree结构结合压杆结构,侧向支撑采用A-Frame柔性机构结合切向支撑机构的支撑方案。从原理上对该主镜支撑方案进行了分析,说明了采用以上两种结构的优点;通过有限元方法对各个机构参数进行了分析、优化,并对整体结构进行了静力学以及热学仿真。实验显示：在参考温度下主镜面形精度（RMS）值为3.5 nm;温差达到40℃时,RMS值为11.1 nm。该设计方案满足了1.2 m轻量化SiC主镜的支撑要求,同时可以很好地抵消热应力对主镜的影响。     

大口径主镜轻量化结构参数的优化设计

针对空间遥感器中大口径主镜的轻量化结构设计引入了基于Kriging近似模型的多目标遗传优化方法,以2 m口径SiC主镜为例对其轻量化结构参数进行了优化设计。采用拉丁超立方法对优化参数进行试验设计,建立了Kriging模型,并用多目标遗传算法迭代求得了最优解。优化后得到了质量为243 kg的2 m口径SiC主镜,其面形精度达到了25.7 nm PV,4.7 nm RMS,轻量化率为84%。试验结果验证了此优化设计方法的可行性,为大口径主镜的轻量化结构参数优化设计提供了借鉴和参考。     

温度和支撑方式对1.2 m SiC主镜面形的影响分析

为了研究温度和支撑方式对大口径SiC主镜用于地基望远镜的影响,基于1.2 m SiC主镜建立了有限元模型,分析了主镜在被动支撑和自由膨胀时,恒定温度场,轴向温度梯度,径向温度梯度和内外温差等对主镜面形的影响.结果表明,存在温度梯度时,支撑方式影响不明显,无论是被动支撑还是自由膨胀,镜面面形均很大.在达到热平衡后,即稳态温度场下,支撑方式的影响明显,只有在主镜自由膨胀时,温度对主镜面形的影响比较小,镜面的RMS<0.02 nm/℃.因此如果主镜采用柔性支撑或浮动支撑方式,大口径SiC主镜可以应用在地基望远镜中.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。