轻量化碳化硅反射镜支撑方案分析

讨论了轻量化碳化硅反射镜的支撑方案。利用有限元力学分析方法,对大口径轻量化主镜进行了在两种工况下的支撑方案分析和优化。通过运用最小二乘法对支撑后的镜面进行拟合,使两种工况下的主镜面形变化的均方差均在λ/60(λ=632 8nm)之内,满足了实际的工程要求。     

旋转平行光管主镜背部柔性支撑设计与仿真分析

针对光学动态靶标进行光电跟踪光端机的跟踪精度的测试时,旋转的光电平行光管由于离心场的存在导致主镜面型误差过大的问题,提出了一种基于挠性梁减小旋转平行光管离心工况下主镜面型误差的方法。文章首先针对主镜支撑点径向位置最优布局进行求解,其次在Isight优化平台上对主镜背部支撑挠性梁的关键设计参数进行尺寸优化,最终利用Sigfit软件分析了离心工况下主镜面型误差。采用优化后的主镜支撑方案,反射镜在1.64g离心力作用下,主镜面型精度RMS优于0.03λ(λ=632.8nm),组件一阶固有频率为167Hz。采用4D干涉仪对平行光管的波像差进行检测,检测结果表明,平行光管光机系统的波像差RMS值优于0.067λ。经过仿真分析与检测实验证明,采用挠性支撑的旋转平行光管镜的动态刚度与面形精度满足光学动态靶标的应用要求。     

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。     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

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.     

700mm光学望远镜结构设计与分析

针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜,提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案,保证主镜具有高面形精度;望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构,既满足望远镜整体重量较轻,又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型,分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性,其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测,光学系统RMS可达到λ/14,鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm,均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。     

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。     

700mm光学望远镜结构设计与分析北大核心CSCD

针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜,提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案,保证主镜具有高面形精度;望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构,既满足望远镜整体重量较轻,又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型,分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性,其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测,光学系统RMS可达到λ/14,鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm,均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

Φ1.3m望远镜的装调

针对Ф1.3m口径同轴四反望远镜镜头,提出了一种有效的装调方法。主镜口径为1.3m,采用背部双脚架(bipod)支撑形式。使用激光跟踪仪多边测量法对支撑结构精密定位,利用Stewart机构位置反解方法进行主镜位姿的调整;通过变换反射镜组件方位进行面形测量,提取重力作用造成的反射镜面形误差;利用Offner零位补偿检测光路进行基于干涉测量的反射镜定心,实现反射镜光学基准与镜头基准的传递;进行镜头的光轴竖直装调,采用测试镜头像高和在线标定标准镜面形的技术手段来提高装调精度与收敛速度。镜头的中心视场波前和边缘视场波前rms分别为0.053λ(λ=0.6328μm)和0.077λ。     

中心支撑610mm圆形主镜的超轻量化设计

为满足轻小卫星相机质量更轻、性能更好的要求,对某离轴三反空间相机610mm口径圆形主镜进行了超轻量化设计.选用背部中心单点支撑方式,采用变筋厚和变筋高的设计形式,结合集成优化方法,设计的主镜质量仅为6.23kg,面密度约为21.3kg/m2.并设计了主镜的支撑结构,仿真分析了组件的静、动力学性能.结果表明:三个方向重力工况下主镜的面形准确度(RMS值)均优于6nm,4℃均匀温变载荷工况下主镜的面形准确度优于1nm;主镜组件的一阶自然频率为112 Hz,频响分析的最大应力发生在钛合金柔性连接件的螺栓孔处,最大应力值为104 MPa,远小于钛合金的屈服极限870 MPa.主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,本文所述单点支撑形式的最大适用口径为683mm,为同类型空间反射镜的超轻量化设计提供了思路和参考.     

面向多目标集成优化与二次烧结工艺的SiC反射镜组件超轻量化结构设计

为了满足高精密空间光学设备超轻量化要求,运用参数优化技术、有限元分析与先进碳化硅(SiC)制造技术,提出了一种多目标集成优化与二次烧结工艺相结合的Φ600mm反射镜组件超轻量化结构设计方法。X、Z两个方向上的SiC反射镜面形的均方根值(RMS)、重量为优化目标,将反射镜轴向厚度、镜面厚度等参数作为设计变量,获得了轻量化率为90.55%的超轻量化反射镜结构;提出反射镜支撑结构同样采用SiC材料,利用二次烧结工艺方法,将两者直接烧结成型,减少粘接装配环节,获得了轻量化率为92%的反射镜组件;利用有限元分析与试验对超轻量化结构设计方法的正确性和合理性进行了验证。结果表明：在重力载荷、温度载荷、镜面加工残差的综合影响下,反射镜组件面形误差RMS值为10.034nm,优于12.6nm的设计要求,且动态刚度良好,满足使用要求。     

大口径碳化硅反射镜数控抛光工艺北大核心CSCD

研究了针对600mm口径方形轻质碳化硅元件的数控抛光工艺过程,采用国产OP1000数控研磨抛光机床对一块600mm×480mm的方形碳化硅元件进行数控抛光加工。在经过两周的加工时间,碳化硅光学元件的通光口径均方根(RMS)值收敛到了35nm(大约为λ/18,λ=632.8nm)。在加工过程中针对大口径椭圆形碳化硅反射镜采用了合适的加工参数优化,例如在加工过程中的不同阶段选择了不同颗粒度的金刚石微粉作为特定阶段的抛光辅料以保证光学元件的表面粗糙度。对计算机控制数控加工技术的快速收敛过程也进行了阐释。     

反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工

介绍了100mm口径反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工工艺流程。按照流程依次介绍了在粗磨成形、细磨抛光和精磨抛光过程中使用的机床、磨具和磨料以及采用的工艺参数和检测方法。介绍了在光学加工各个步骤中应注意的问题。展示了加工后反应烧结碳化硅平面反射镜的实物照片。给出了面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度(95%孔径)均方根值(RMS)为0.030λ(λ=632.8nm),表面粗糙度RMS值达到了1.14nm(测量区域大小为603 6μmⅹ448 4μm)。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

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。     

超大口径光学制造均力支撑布局优化

为降低支撑控制难度和节约制造成本,同时又保证在线光学加工-检测所需的支撑精度,提出超大口径反射镜的支撑布局优化方法。研究支撑状态下的反射镜面形精度,解决面形拟合和优化目标提取的问题;以斜率均方根(SlopeRMS)为目标建立非圆形口径的超薄反射镜加工支点布局优化模型,使其具备自适应有限元分析的功能;针对工程中大量使用的轻量化反射镜,设计出适应其几何变化的支撑转换结构,并展开以面形均方根(RMS)误差为目标的支点位置的优化设计;通过30m口径望远镜(TMT)第三镜和某2m口径反射镜的支撑布局优化,验证了所采用方法的效果。算例结果表明,所提方法具有较好的几何适应性,布局优化后支撑系统的精度满足超大口径反射镜的光学制造要求。     

一种新型的轻质反射镜材料

对使用轻质材料制作的轻量化空间光学反射镜的应用背景进行了阐述,并论述了轻量化技术的关键环节-镜体材料的选择;提出高轻量化率镜体的材料选择准则:将碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与铍(Be)、碳化硅(SiC)材料进行了综合比较和讨论,并针对CFRP材料的镜体结构进行了有限元仿真计算,最终选择了CFRP作为轻质空间光学反射镜的镜体材料.     

大口径铝合金主反射镜设计与分析

针对铝合金材料,设计了大口径红外相机主反射镜,反射镜口径420 mm。以径厚比、支撑点数量和轻量化结构形式为输入点,设计了一种背部开放式、三角形轻量化结构和背部3点支撑的结构形式。通过有限元分析软件对反射镜的动态刚度及自重和温度载荷下的面形变化进行了分析。分析结果表明:反射镜具有高的动态刚度,反射镜自重工况和-40 ℃均匀温降下,面形精度RMS分别为30 nm和0.2 nm,均满足光学设计提出的/10（=632.8 nm）指标要求,为大口径铝合金反射镜的设计提供了理论依据。     

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。