大口径空间反射镜Cartwheel型柔性支撑设计

针对同轴三反式空间光学遥感器对大口径主反射镜组件的高刚度、高强度、高热稳定性等特殊要求,提出一种基于Cartwheel型双轴柔铰的三点柔性支撑结构。首先利用无量纲方法研究了单个柔性支撑的柔度特性,然后利用有限元方法对反射镜组件的静力学、动力学与热特性进行灵敏度分析,确定了支撑结构中柔性环节的几何尺寸参数,并进行了有限元数值仿真。最后,利用面形值为λ/40均方根(RMS)的非球面镜进行了反射镜组件面形检测实验并利用等效球面镜组件进行了动力学实验。仿真与实验结果表明:当柔性环节尺寸为:壁厚t=8mm,直梁高度h=4mm,直梁长度L=8mm时,在正交三向自重与15℃稳态温升作用下,反射镜面形精度RMS小于12nm;反射镜组件一阶固有频率实验值为296Hz,与仿真结果相差6%,能够满足使用要求。     

超轻反射镜柔性支撑结构设计与试验

针对微型遥感载荷超轻反射镜柔性支撑问题,提出了一种折臂梁式柔性支撑结构。根据反射镜结构特点,建立柔性支撑结构的参数化模型。采用第二代非支配排序遗传算法建立了多约束多目标的参数优化模型,对柔性结构关键参数进行了优化,最小尺寸仅为1.30mm。对反射镜与柔性结构粘接面积的强度进行了校核,安全裕度为3.6。并对反射镜组件进行了工程分析和力学试验,所设计的柔性结构能够在1g重力和温度4℃变化时保证超轻反射镜具备优于3nm的面形精度,仿真分析与力学试验相对误差均在10%以内。最后,对反射镜组件进行了镜面的面形检测,力学振动试验前后,镜面的表面误差RMS均为0.020λ,表明该反射镜组件稳定性良好。本文提出的折臂梁式柔性支撑结构设计方法是可行的,结构性能是可靠的。     

长条镜柔性支撑及点阵结构设计方法

离轴三反光学系统多采用长条形反射镜,为尽可能提高反射镜面形精度,其支撑结构形式多为柔性支撑;为了在保证结构力学性能的基础上满足轻量化的需求,支撑亦多采用壳体点阵结构。本文基于尺寸优化技术,建立了长条形反射镜的参数化有限元模型以及双轴圆弧切口柔性铰链支撑的多参数优化模型,分别应用可行方向法及自适应响应面优化算法得到了质量约束下刚度最优的反射镜面板、筋板厚度参数以及刚度约束下镜面面形最优的柔铰支撑几何尺寸参数,并应用参数试验方法对该柔性支撑安装角度及安装轴向位置进行了独立变量的影响分析。对于背板的设计,本文提出了一种基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法,采用贪婪三角化投影算法对点阵结构包络生成的点云进行网格重构,保证了点阵结构模型的连续性与真实性。经过仿真验证,优化参数下重力、温度、强迫位移各工况下反射镜综合面形误差（0.018λ）和装调方向重力下刚体位移（0.007 mm）均达到最优。表明基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法合理可行,可推广应用于类似结构形式的反射镜支撑。     

光学反射镜柔性锥套连接结构的设计与分析

针对空间光学遥感器反射镜结构刚度高、热尺寸稳定性差的状况,设计了一种柔性锥套结构,它在保持结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。对某光学反射镜组件中的柔性锥套进行了合理的结构设计,并对柔性铰链参数进行了分析,采用有限元法对反射镜组件的非柔性锥套连接结构和柔性锥套连接结构在自重和热两种工况下的反射镜面形精度进行了仿真分析。分析结果表明:由柔性锥套连接的反射镜在自重工况下面形PV值较非柔性锥套连接形式变化不大,而热变形明显好于非锥套连接的面形精度,PV值由43.9nm降到了27.5nm,对热的贡献较大;连接在整机工况下的反射镜组件的反射镜面形精度可满足遥感器的成像质量要求,保证了结构的热尺寸稳定性。因此这种柔性锥套连接结构在实际遥感器结构中是合理可行的。     

Ф2020 mm口径空间红外相机主反射镜设计

针对某Ф2 020 mm主反射镜,为了保证空间红外相机主反射镜具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率,对其支撑结构进行了针对性研究。根据反射镜的尺寸形状和面形精度要求,确定了反射镜的背部支撑方案。设计了采用两种柔性方式串联的柔性结构用于主反射镜的支撑,并确定了柔性环节的应力最大位置。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析,结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.02 nm,组件一阶谐振频率为95 Hz。对相机处于装调状态装星状态时反射镜的面形进行了有限元分析,结果表明满足总体对主反射镜的设计要求。     

超轻量化碳化硅扫描反射镜组件设计

为实现(165mm×96mm)矩形扫描反射镜组件的轻量化并保证反射镜面形精度与组件支撑刚度,提出了一种锥套柔节一体化的背部支撑方法,实现了重量小于0.5kg的超轻量化碳化硅反射镜组件设计。镜体材料的选择为碳化硅,支撑结构材料选择了铟钢。通过有限元仿真对扫描反射镜组件进行了仿真分析,并采用ZYGO干涉仪对实际的反射镜组件进行了检测。实验表明,在各方向重力的工况和轴系驱动时的扭矩作用下,扫描反射镜面形误差的均方根值(RMS)最大值为9.705nm,实际测试结果为10.125nm,误差为4%,满足RMS值优于12.6nm的要求;组件一阶固有频率302.25Hz,满足刚度要求。研究结果表明,锥套柔节一体化背部支撑方法合理、有效,解决了结构超轻量化与结构刚度、光学面形精度难以同时保证的难题。     

超轻反射镜串联柔性支撑结构优化设计

为了保证微型空间相机的超轻反射镜的面形精度和稳定性,提出一种串联双轴片式柔性支撑结构.以多工况下超轻反射镜面形为目标,应用集成优化方法对该支撑结构进行优化设计,并对优化后的结构进行重力和温度工况下的静力学分析,各工况下反射镜面形均方根值均在3.5nm以内,远优于设计指标.对研制的反射镜组件粘接强度进行校核,并对其动力学性能进行有限元分析和试验验证.结果表明,柔性支撑结构与反射镜粘接面积为1 138 mm~2,反射镜组件的X、Y、Z三向的一阶频率都在500Hz以上.有限元分析结果与试验结果的相对误差均在6.5%以内,验证了有限元分析模型的正确性,表明该串联双轴片式柔性支撑结构设计合理,集成优化方法可靠.     

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。     

月基极紫外相机反射镜组件的设计

为了使月基极紫外相机反射镜组件在月球环境下具有良好的力学和热学稳定性,从而保证相机的成像质量,本文针对月基极紫外相机所处的严酷的力学和温度条件,设计了一种满足月球环境的反射镜组件结构.通过对反射镜组件有限元模型的重力分析、热载荷分析、动态刚度分析以及结构强度分析,结果表明反射镜组件的一阶谐振频率达到354 Hz,在1 g重力作用和ΔT=50℃均匀温变作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到3.62 nm和2.46 nm,满足反射镜面形要求.最后,通过静力学面形检测、力学试验、温度适应性试验及成像分辨率测试,结果显示反射镜镜面面形精度RMS值优于14 nm,反射镜组件的设计满足总体指标,验证了该方案的合理性.     

月基极紫外相机反射镜组件的设计

为了使月基极紫外相机反射镜组件在月球环境下具有良好的力学和热学稳定性,从而保证相机的成像质量,本文针对月基极紫外相机所处的严酷的力学和温度条件,设计了一种满足月球环境的反射镜组件结构.通过对反射镜组件有限元模型的重力分析、热载荷分析、动态刚度分析以及结构强度分析,结果表明反射镜组件的一阶谐振频率达到354 Hz,在1 g重力作用和△T=50℃均匀温变作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到3.62 nm和2.46 nm,满足反射镜面形要求.最后,通过静力学面形检测、力学试验、温度适应性试验及成像分辨率测试,结果显示反射镜镜面面形精度RMS值优于14 nm,反射镜组件的设计满足总体指标,验证了该方案的合理性.     

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.     

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。     

长条形空间反射镜无热化胶层的优化设计

为了实现尺寸为1 200 mm×484 mm的大长宽比长条形空间反射镜的无热装配,减小反射镜面形精度受热应力的影响,本文对环氧胶(GHJ-01(Z))胶层厚度对反射镜面形的影响及胶层在静、动力学载荷下的应力进行了研究。首先,介绍了现有的几种基于胡克定律推导的无热粘结厚度方程及其假设条件,并推导了带有锥度的背部盲孔反射镜无热粘结胶层厚度的方程,得出无热粘结胶层厚度曲线;然后,建立了6种不同胶层厚度的反射镜组件模型并进行了分析与比较。通过分析,在+5℃温升工况下,反射镜胶层厚度为0.07 mm时具有最好的面形精度,其RMS值0.0178λ,其检测方向在自重作用下的面形精度RMS值为0.0173λ,一阶频率为220.17 Hz;最后对胶层无热化设计后的反射镜组件进行了振动试验和粘结剂剪切强度试验,分析与试验表明:反射镜组件一阶频率为216.4 Hz,与有限元分析结果相对误差为1.71%;满足动静态刚度要求;同时,在动力学载荷下该厚度胶层的应力均小于其固化后的抗剪强度,安全裕度为2.46;各项指标满足设计要求。     

多节点激光通信天线紧凑型摆镜组件设计

为了减小多节点激光通信天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。采用高体分铝基碳化硅(SiC/Al)支撑板与H-K9L反射镜直接黏接的方案,提高了摆镜面形的热稳定性,摆镜回转中心至镜面的距离被缩短至20mm。黏接面采用三点薄圆环的设计,在保证摆镜组件动态刚度的前提下有效降低了黏接应力对摆镜面形的影响。有限元分析结果表明,摆镜组件的基频为1319.96Hz,在(20±5)℃工作温度范围内,面形峰谷(PV)值优于λ/4(λ=632.8nm),面形均方根(RMS)值优于λ/22。使用ZYGO激光干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明,在(20±5)℃温度范围内,摆镜面形的PV值优于λ/4,RMS值优于λ/29,满足激光通信天线RMS为λ/15的指标要求。     

矩形反射镜结构支撑技术研究

大尺寸矩形反射镜结构支撑是离轴三反消像散(TMA)光学遥感器研制过程中的关键技术难点之一。以某临近空间光学遥感器的760 mm×320 mm三镜为研究对象,系统分析了环境温度对反射镜面型影响的本质原因,得出了温度适应范围与热膨胀系数差(反射镜与支撑结构)、反射镜接口承载能力、柔性支撑刚度之间的关系,形成了一套大口径光学反射镜结构支撑设计思路。提出了一种基于圆切口柔性铰的两轴正交反射镜柔性支撑结构,利用有限元对反射镜组件的光学面型和模态频率进行了仿真分析,通过正弦扫频实验对反射镜组件的结构频率进行了实际验证。在1g重力和10℃温度载荷的共同作用下,反射镜光学面型的最大均方根差(RMS)为13.4 nm,满足所提出的λ45(λ=632 nm)指标要求。反射镜组件最低阶模态频率的分析值和实验值分别为128.67 Hz和124.1 Hz,满足所提出的不低于100 Hz指标要求。     

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。     

空间光学遥感器主反射镜轻量化及支撑设计

为了得到某空间光学遥感器主反射镜合理的结构及支撑方式，检验新型光学材料SiC的光学性能，尤其是应用于空间光学系统的可行性，通过建立该空间光学遥感器主反射镜组件的虚拟样机，采用有限元仿真的方法，分析主反射镜在背部采取不同形式轻量化情况下的质量及质心位置。建立几种主反射镜的有限元模型，采用合理的MPC约束边界条件，用有限元方法分析主反射镜在加工、测试状态下自身重力作用对反射面面形精度的影响。经过仿真比较及轻量化优化设计，得到一种主反射镜及支撑的合理化结构，轻量化率达到75.6%，反射镜面RMS值为12.53nm，Pv值为54.52nm。最后的分析结果表明：质量、刚度及反射镜面精度均满足工程要求。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40RMS(λ=632.8nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

双面共体反射镜结构优化设计与分析

为了满足某同轴四反红外光学系统中主四双面共体反射镜的性能要求,需要镜体在高轻量化率的同时具有更高的刚度,保持两个镜面面形稳定。该文采用拓扑优化的方法,以刚度最大为优化目标,约束设计域体积分数的方式对双面共体反射镜初始模型进行优化。优化结果表明,主镜面与四镜面通过以光轴为中心呈辐射形排列的筋板连接时刚度较高;通过自由尺寸优化获得主、四镜面和筋板的最佳尺寸参数;参考优化结果设计主、四共体反射镜,最终方案轻量化率达到82.4%。对主四反射镜模态及1g重力对面形RMS的影响进行分析,求得一阶频率达到417 Hz;1g重力作用下反射镜面形变化最大为λ/22（λ=632.8 nm）。分析结果表明,优化后的镜体刚度足够,且具有较好的抵抗重力变形能力。按照优化后的设计方案进行反射镜的加工和测试,主、四镜面形RMS实测结果均约λ/7,满足红外光学系统的性能要求,证明了本文优化设计方法的有效性,为双面共体反射镜的设计提供一定的借鉴作用。     

超轻离轴反射镜及柔性支撑优化设计

针对多光谱相机的整机设计秉承集成化、小型化和超轻质的设计理念,提出一种结合最小尺寸约束的变密度拓扑优化与多目标集成优化的设计方法,并借助此途径完成空间离轴微晶反射镜及背部支撑结构(消热芯轴、柔节和背板)的优化设计。对于尺寸为218 mm×166 mm的反射镜,质量为0.917 kg,轻量化率为71.3%,并对加工装配好的反射镜组件开展工程环境试验和面形干涉检测。试验结果表明,环境试验前后的反射镜镜面面形的方均根值均优于1/50λ,检测波长λ=632.8 nm,基频为397.8 Hz,满足光学系统的设计要求以及卫星平台对光学载荷的要求,验证所提方法的可行性和正确性。