离轴三反空间相机与卫星平台的优化连接方式

对于与卫星平台卧式安装的长焦距离轴三反空间相机,由于地面与在轨状态环境条件不同引起平台接口与相机产生温度差,导致相机视轴漂移影响成像质量。为解决此问题,提出了将柔性连接座、刚性连接座和可解锁连接座配合应用的优化连接方式,实现了相机与平台在轨状态3点静定柔性连接,并在运载阶段利用可解锁连接座提高相机基频。利用有限元方法对优化连接方式进行验证,平台接口温度降低15℃引起次镜角度变化为9.62(安装位置跨距1.2 m),满足光学设计要求;同时运载阶段相机在X、Y、Z三方向频率响应基频分别为120 Hz、120 Hz、110 Hz,与全刚性连接情况相比无明显降低。利用试验工装模拟平台进行温度变化替代试验,平台在温度提高15 ℃情况下,试验结果与仿真结果相符,且次镜转角实测值与仿真结果最大误差为9%。试验结果说明优化连接方式解决了卫星平台与相机在轨状态温度差引起的视轴漂移的问题,提高了相机的在轨环境适应性。     

像质检测用光学窗口的温度适应性设计与实验北大核心CSCD

为了在温度变化条件下对光电成像系统进行像质检测与评价,设计一种具有温度自适应功能的光学窗口。分析了温度变化对光学玻璃面形的影响,进行光学窗口的温度适应性光机结构设计,通过有限元分析与实测实验相结合的方法分析了温度变化对光学窗口面形的影响,验证了温度适应性设计的有效性。实验结果表明:常温20℃条件下,光学窗口波像差的PV值和RMS值分别为82.90 nm和6.96 nm;高温50℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为136.68 nm和14.55 nm;低温−40℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为183.51 nm和28.48 nm;高、低温环境下光学窗口的波像差与常温环境下结果对比的数值变化趋势与有限元分析结果具有较好的吻合性;在3种温度条件下光学窗口波像差的PV值均小于或接近(1/4)λ,且由于温度变化引起的光学窗口面形变化很小,设计的光学窗口具有较好的温度适应性。     

空间相机用变形镜的支撑结构设计

变形镜支撑结构自身性能的优劣将直接影响变形镜的像差校正能力。给出一种空间相机用变形镜的结构,结合材料属性与加工工艺,分析了不同结构形式支撑底座的特点,发现采用碳纤维增强复合材料（CFRP）制作的实体式结构明显优于选用钛合金制作的筋板式结构,指出支撑底座材料的比刚度以及支撑底座与反射镜材料之间的线胀系数差别分别是影响变形镜自重变形和热变形的主要因素。比较了不同的支撑方案,发现采用背部三点支撑可以改善周边三点支撑时由重力因素导致的反射面边缘塌陷现象,在z向重力下面形RMS值由15.38 nm降至4.17 nm,降低了73%,且热变形更加均匀,4℃温升时的RMS值由3.68 nm降至3.22 nm,降低了12.5%,一阶频率也由1513 Hz提高至1982 Hz。这说明该变形镜结构的动、静态刚度及热稳定性均满足空间相机的应用要求。     

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.     

空间相机中变形镜的结构设计

设计了一种适用于空间环境的变形镜装置,以校正高分辨率空间相机中大口径主反射镜的波像差.讨论了空间相机用变形镜的设计准则,确定了该变形镜的结构形式;给出了具体的结构组成和材料组合,并设计了柔性结构.仿真结果表明,该结构在z向重力工况下RMS值仅17.2nm,4℃温升时的RMS值仅为3.7nm,且一阶频率为1 015Hz,各模拟空间工况下的反射面经主动展平后,均可获得近似的标准平面;该结构能够较准确地拟合前36项泽尼克多项式所对应的基元波面,残留误差较小,不仅具有良好的力学性能和热稳定性,还能保证变形镜的像差校正能力得到充分发挥,从而满足空间相机的使用需求.     

空间引力波望远镜主镜组件的结构设计

针对空间引力波望远镜皮米量级的极高光程稳定性需求,对系统中主镜组件进行了优化设计。采用微晶玻璃（Zerodur）作为反射镜材料,支撑结构材料为铟钢（4J36）。首先,通过对反射镜参数的优化,使其在保证面形精度的同时镜体轻量化率达到了72%。然后,设计了一种双轴联杆型Bipod柔性反射镜支撑结构,并采用了侧面三点支撑的形式。以保证有效的支撑刚度及卸载效果为目的,建立了柔性铰链的数学模型,并基于Matlab对其尺寸参数进行了优化。最后,对优化设计后主镜组件进行了模态分析及振动试验,并完成了在轨分析与波前质量计算。结果显示,主镜组件的一阶固有频率为373 Hz,与试验结果的相对误差为3.5%;在轨环境下主镜面形精度达到8.9 nm（RMS）;波前精度为/5（=1 064 nm）。表明该反射镜组件满足设计指标要求。     

长条反射镜及柔节的参数优化设计

为了提高空间离轴相机反射镜组件的设计效率,以某长条反射镜组件为例,提出了一种参数优化设计方法,以反射镜及柔节为研究重点,详细阐述其结构参数优化设计过程。对优化后的反射镜组件进行仿真分析,该组件在1 g轴向重力工况下,镜面面形RMS值为1.60 nm≤λ/50(λ=632.8 nm）;在5 ℃均匀温升载荷作用下,镜面面形RMS值为6.70 nm≤λ/50;质量为2.58 kg,基频为274 Hz,数据均满足设计要求。表明对反射镜组件结构进行参数优化可较好地满足指标,并由计算机进行结构参数优化迭代,显著提高了设计效率。     

大尺寸SIC空间反射镜离子束加工热效应分析与抑制

离子束加工中从离子源射出的高速离子撞击光学反射镜表面,离子的动能转化成热能以及中和灯丝的热辐射作用,使反射镜温度急剧升高。反射镜温升过快,会导致柔性连接结构胶结部位发生不可逆的非线性变化,并且热膨胀使实际加工位置和理想加工位置发生偏移,增加了加工误差,因此需要对加工过程中产生的热效应进行抑制。提出了通过规划加工路径和增强散热的方法,增强加工过程的散热,控制反射镜的温度。针对600 mm260 mm的某主反射镜,对增强散热前后不同加工路径的离子束加工进行了研究和有限元分析。分析表明:加工路径的选择、增强散热对反射镜的温度分布有较大影响,增强散热前,采用横栅格加工路径,反射镜最高温度为35.8 ℃,对应全口径PV=/5,采用分区纵栅格加工路径,反射镜最高温度则达到52 ℃,PV=/10。增强散热后,不同加工路径离子束加工中,反射镜温度均有所下降,采用横向栅格加工路径反射镜温度最高为28.2 ℃,对应全口径PV=/20,采用分区纵栅格加工路径反射镜温度最高为41 ℃,PV=/7。通过对比,最终采用增强散热的横栅格加工路径的加工方式。对优选的加工路径进行了试验验证,试验结果与仿真结果一致。结果表明:优化加工路径,增强散热措施能够抑制离子束加工的热效应,为离子束加工热效应抑制提供理论基础。     

空间SiC反射镜背部中心支撑特性

基于特定的轻量化形式和支撑结构,采用有限元方法研究了口径为500mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响,确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23,指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状,当重力沿径向作用时,增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明,柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素,要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求;背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小,且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感;支撑长度主要影响结构的动态刚度,减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750mm,对口径小于750mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.     

中心支撑长条形反射镜轻型优化设计

针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式,不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量,而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法,提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构,克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能,并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明,中心支撑的反射镜质量更轻（3.36 kg）,与实体反射镜相比,轻量化率达到了87%,组件质量也较三点支撑减小了24%;在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm,优于三点支撑形式;4℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm,远小于设计要求的RMS 12 nm;反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz,重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 m。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时,保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度,满足设计要求,为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。