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.     

车载光电稳定平台外框架优化设计

为使车载稳定平台在动态载荷状态下满足系统精度要求,对车载光电稳定平台外框架进行了优化设计。介绍了外框架材料的选择原则与外框架的结构形式;运用UG软件对外框架进行三维建模;采用理论分析与有限元计算相结合的手段,对外框架结构进行了分析与设计;并基于MSC软件进行了仿真校核。结果表明:本文设计的外框架能在满足刚度强度的前提下实现较小的转动惯量,静力状态下的最大变形量为2.6μm,满足使用要求。     

碳纤维复合材料反射镜面板的铺层设计

从刚度设计的角度出发,利用有限元法对用于某空间光学系统的碳纤维复合材料反射镜面板的铺层进行设计,通过对角度相间步长为15°的铺层所制作的各种面板进行静力学分析,得出了在相同载荷的作用下,采用[0°/60°/-60°]s的铺层形式的反射面板产生的变形最小的结论,进而提出了在使用碳纤维复合材料制作空间光学反射镜时,反射面板铺层设计的一般方法,可以对碳纤维复合材料反射镜的制作提供一些参考。     

ITER磁体支撑结构有限元分析

磁体支撑结构是国际热核聚变实验反应堆(ITER)的重要部件,对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。通过对磁体支撑结构各工况下的强度、刚度的数值分析,给出了磁体支撑结构对应工况下各零部件的应力分布及变形量;分析结果表明磁体支撑结构各零部件的最大应力值均小于许用应力,满足强度要求,各零部件变形合理,不会出现脱开失稳现象。通过数值分析,为国际热核反应堆磁体支撑结构提供了理论设计数据,提升了磁体支撑结构的安全性和可靠性。     

碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器遮光镜筒

碳纤维复合材料作为一种新兴结构材料,它的优异性能提高了航天光学遥感器的结构效率及尺寸稳定性。介绍了某航天光学遥感器遮光镜筒的设计,探讨了碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器遮光镜筒需考虑的一些问题,如线膨胀系数、连接接口以及预埋技术等,最后给出了遮光镜筒进行环境模拟试验的实验结果。结果表明,碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器是完全可行的,并将得到进一步发展。     

轻小型宽波段变焦物镜光学系统设计

为满足具有连续变焦和昼夜合一功能的光电瞄具的轻小型要求，采用前固定组为调焦组的四组三联动结构的物镜，通过视场、作用距离和CCD探测器相关参数确定所需焦距范围，使用高斯括弧法对四组三联动变焦结构进行高斯光学分析，通过调焦一次实现可见光波段到红外波段的转换。最终设计的光学系统的工作波段为0.48～0.68μm和0.80～0.90μm，调焦量仅为0.26 mm，光圈为F_5.0～F_6.5，变焦范围为25～250 mm，满足短焦探测和长焦识别距离不小于2 km的要求。此外，该物镜的光学总长为199 mm，最大通光孔径为58.1 mm，镜片总质量为203.6 g，满足系统轻小型需求，并且在不同工作波段下变焦全程成像质量良好，从公差分析结果可以看出所设计系统具有优良的可实现性。     

离轴三反光学遥感器遮光罩的设计与试验验证

遮光罩是空间光学遥感器的重要组成部分,是抑制空间光学遥感器杂散光的首要措施。遮光罩削弱杂散光效果的好坏直接影响到光学遥感器光学系统的成像品质。本文设计了一种满足离轴三反空间光学遥感器要求的大尺寸碳纤维/环氧复合材料遮光罩,并结合有限元分析、杂散光分析及力学试验、光学系统传递函数检测手段来验证该遮光罩是否满足航天使用要求。结果显示,各视场光学系统传递函数检测结果基本一致,均在0.2以上。表明该大尺寸遮光罩具备良好的结构的稳定性、可靠性,能够满足空间应用要求。     

基于碳纤维复合材料的月基极紫外相机照准架结构设计

为了减少月基极紫外相机的质量并保证相机的二维转动机构在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中受到大量级振动冲击以及月表超大温差环境下能正常工作,设计并研制了基于碳纤维复合材料（CFRP）的照准架结构。首先,设计了基于金属材料和CFRP的不同照准架结构,通过有限元法对不同材料的照准架进行分析对比,证明了CFRP照准架的优越性。温度和力学验证试验表明：基于CFRP的照准架质量小于其它材料的照准架,其刚度和热稳定性能满足极紫外相机环境适应性的要求。     

碳纤维复合材料制造轻质量空间光学反射镜

用碳纤维复合材料制造空间光学镜面结构是满足空间光学反射镜轻量化轻型要求的途径之一,概要介绍国际上将碳纤维复合材料用于光学镜面中的现有技术水平、发展趋势及国内现状。利用有限元法,通过对复合材料层合板铺层设计制造出小口径(260mm)反射镜加以实验验证其光学性能以及稳定性,研究碳纤维复合材料用于光学镜面有可能达到的精度以及尚需解决的问题。     

高能光源束流位置探测器支撑架结构优化设计

从热稳定性和振动稳定性两个角度出发,优化设计得到了超高稳定的刚性支撑架结构;通过ANSYS有限元模态分析,验证了结构的热膨胀变化量和特征频率;采用混凝土二次灌浆方法对支撑架进行地面固定和特征频率测试,结果表明,支撑架结构的特征频率达到61.9 Hz、振动幅值小于30 nm,均满足设计要求。最后采用动态刚度测试方法,得到混凝土二次灌浆层的主要刚度值,进一步验证支撑架结构优化结果的准确性。     

星载超广角气溶胶探测仪均匀像面性光学设计

为满足空间遥感的迫切需求,设计了星载低畸变超广角气溶胶探测仪系统.系统中多光谱成像仪的光谱范围为0.860~0.965 μm,全视场角为94°,相对孔径为1∶4,采用反远距结构,系统后工作距离为42 mm.根据反远距结构的像差特点,提出了合理选用易于加工的二次曲面校正畸变,并利用光阑像差产生的有效像差渐晕改善像面照度分布设计方法.运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对气溶胶探测仪光学系统进行了光线追迹和优化并对设计结果进行了分析.结果表明,最大畸变为-1.6%,像面上边缘视场的照度大于中心视场照度的46%,光学系统在奈奎斯特频率38.5 lp/mm处的光学传递函数均达到0.59以上,完全满足设计指标要求;体积小,适合空间遥感应用;同时证明了设计方法是可行的.     

含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化     

EMCCD侦察探测装置光学系统设计

为了满足EMCCD侦察探测装置的实际使用要求,设计了一个三视场光学系统。系统采用EMCCD接收,像元尺寸为16 m16 m 。通过对比4种成像系统结构形式的优缺点,选定三视场光学系统的初始结构形式,运用CODEV软件对其进行优化,实现600 nm～850 nm波段范围内三视场光学系统成像。设计结果表明,三视场光学系统的传递函数MTF在35 lp/mm频率处均大于0.5,点列斑直径均小于像元尺寸,畸变均小于0.2%,成像对比度满足使用要求。     

Gasification and removal of carbon materials and redeposited boron–carbon layers exposed in an oxygen–ozone mixture

The results from experiments on measuring the rate of gasification for carbon and boron–carbon films and carbon fiber composite (CFC) exposed in oxygen–ozone mixtures are presented. The rate of gasification is 0.4–0.6 μm h^–1 (at temperatures of 220–250°C, a pressure of 0.3 atm, and an ozone concentration of 0.6 at %) for carbon films; plane CFC samples; gaps 1 and 2 mm wide with walls of stainless steel; and gaps 1 mm wide with walls of CFC. It is 15 μm h^–1 for plane CFC at a temperature of 250°C, a pressure of 1 atm, and an ozone concentration of 10 at %. The rate of gasification for boron–carbon films is from 3 to 30 nm h^–1 for B/C ratios of 2.1 to 0.8 (at 250°C, 1 atm, and ozone concentration of 10 at %).     

头盔显示器自由曲面光学组件的优化设计

根据设计要求计算了非共轴球面光学系统的初始结构,选定泽尼克多项式为自由曲面面型,利用正交泽尼克多项式与像差的关系,调整曲面参数校正系统的像差,运用CODE V进行系统优化。通过设计实例对比了直接优化和分步优化方法,由对比结果可知,分步优化更适用于自由曲面光学组件的设计。仿真结果表明:系统在整个视场范围内,点列斑直径小于27 m,网格畸变的最大值为-7.15%,30 lp/mm处的MTF大于0.197。     

复材结构刚度与隔声量的计算及参数优化

论文旨在满足结构刚度指标的前提下最大程度地提高复合材料(以下简称“复材”)结构的隔声性能。首先针对复材结构进行刚度分析，在铺层数和铺层比例不变的前提下，分析不同铺层构型对结构刚度的影响。然后利用统计能量分析法，确定铺层角度对结构隔声性能的影响，并与试验结果进行对比验证模型的有效性。最后以铺设在复材壁板上的隔音棉厚度和密度为两个优化参数，分析不同厚度和密度的隔音棉的插入损失，并进行参数最优化分析，寻找最佳组合方式。得出结论：不同铺设角度顺序对复材整体结构的弯曲刚度和吻合效应频率有影响，在相同尺寸和边界条件下，构型1屈曲稳定性承载能力较强，隔声效果最好，铺层方式最优；隔音棉密度对插入损失影响较小，而隔音棉厚度对插入损失影响较大。论文选取的隔音棉密度和厚度已经使壁板、隔音棉及内饰板的组合结构隔声量达到了收敛状态，是最优化的组合设计。     

基于Kriging代理模型的飞行器结构刚度气动优化设计

大飞机具有轻质大柔性特点,使得气动/结构耦合作用增强,在设计过程中需要考虑这种耦合效应,直接调用CSD/CFD方法计算周期长,无法满足工程需要.代理模型方法由于能显著提高工程优化设计的效率,已广泛应用于飞行器气动外形优化设计中.采用Kriging方法建立代理模型,通过求解EI函数最大值得到需添加的样本点以更新代理模型,提高代理模型的拟合精度,结合改进的粒子群最优化方法对大飞机的结构刚度进行了优化设计.结果表明,该优化方法能够处理复杂目标的全局优化问题,在保证升力系数及纵向稳定性能不恶化的前提下,降低飞机巡航状态的飞行阻力.      

广角红外地球敏感器光学系统设计及畸变校正

为了满足低轨道航天器姿态轨道控制系统对小型化地球敏感器的需求,对广角长波红外地球敏感器光学系统设计及成像畸变校正技术进行了研究。广角长波红外光学系统采用反远距结构形式,由三片锗透镜实现140°的视场角,光学系统工作波段为14 μm~16.25 μm,F数为0.8。广角长波红外光学系统体积小、结构简单,并且成像质量良好,实现了红外地球敏感器光学系统的小型化高精度设计。采用分视场区间分别建立畸变校正公式的方法来实现光学系统成像畸变校正,校正精度优于像元尺寸的1/5,可满足敏感器产品姿态测量的需求。     

200万像素手机摄像镜头的设计

为了适用手机这一特殊领域对微型化和简单化的摄像镜头的需要,在传统球面玻璃镜片基础上结合非球面透镜理论,运用CODE V优化出一个用于可见波段且生产成本低廉的三镜片定焦摄像镜头系统。该镜头总长度小于5mm,并且有着很好的成像效果。为了结构紧凑并且能最大限度地降低生产成本,在结构设计中采用球面的玻璃镜片和非球面的塑料镜片,镜头的适应像素尺寸是2.52μm×2.52μm,相应的尼奎斯特频率是196条/mm,相关的调制传输函数值在尼奎斯特频率的1/2时达到40%,所成像面的球差控制在-0.05mm～0.05mm之内,最大畸变小于0.17%。该镜头可满足手机摄像镜头200万像素的要求。     

大口径反射镜波前畸变控制技术

依据高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变的严格要求,通过选择适合的结构形式、材料及连接方式和支撑位置设计了大口径反射镜支撑结构,并对其进行了优化分析计算和验证性试验。面形精度试验结果表明:装夹引入的附加波前畸变的峰谷值（PV 值）约为150 nm,小于/3(=632 nm),结构满足设计指标要求。