空间遥感器大口径反射镜的复合支撑结构

针对空间遥感器反射镜对支撑功能的需求,设计了一种应用于空间领域的大口径反射镜复合支撑结构。该复合支撑结构包括A框加切向拉杆的周边支撑和3组whiffletree结构组成的背部支撑。研究了复合支撑的支撑原理和工程实现。基于功能分配和指标分配的理念设计了复合支撑结构。采用有限元分析的手段对设计结果进行了静力学和动力学仿真验证,然后对实际的支撑系统进行了相关的试验测试。试验结果表明,采用复合支撑的反射镜组件在工作状态下的面形精度优于λ/50(λ=632.8nm),镜体刚体位移小于0.01mm,镜体转角小于2″,质量小于50kg。整个组件模态分布合理,基频为161Hz,远高于设计要求的120Hz。各项仿真和测试结果均表明该复合支撑效果良好,满足空间遥感器对可靠性和稳定性的需求。

大口径反射镜组件的温度适应性

考虑温度适应性是大口径反射镜组件设计过程中的重要因素,本文研究了温度影响空间相机大口径反射镜组件的机理,讨论了进行温度适应性分析与试验的必要性。结合其设计流程,总结了大口径反射镜组件温度适应性分析的方法。采用有限元方法,建立了研究对象的物理模型,进行了结构-热耦合的优化设计,确定了最终设计状态。对优化设计结果进行了在轨状态及地面检测状态的温度适应性分析。结果显示:在轨工作状态下的温度适应范围为±4℃,温差适应范围为X向5℃、Y向4℃、Z向7℃;地面检测试验状态温度适应范围为±3℃,温差适应范围为X向4℃、Y向3℃、Z向4℃。在实验室进行了组件均匀温变的温度适应性试验,并与相应分析结果进行对比,结果表明:±5℃内PV值误差优于4%,RMS值误差优于7%。

大口径反射镜组件设计及稳定性研究

针对惯性约束聚变(ICF)装置中使用数量较多的大口径反射镜组件结构,在满足物理功能要求的前提下,根据其稳定性及定位、安装、调整和变形等要求,运用运动学原理及模块化设计思想,设计了一个典型的反射镜组件结构,并对组件结构进行了力学分析及实验。计算和实验结果表明,该组件满足稳定性要求,其定位和重复定位精度<10μrad,安装调整方便可靠,满足设计要求。

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150nm,小于λ/3(λ=632nm),结构满足设计指标要求。

大口径反射镜分析驱动设计与优化

提出基于高精度有限元分析和优化算法的分析驱动设计方法,实现了大口径反射镜的快速设计。首先使用商业CAD软件设计反射镜的概念模型,其模型的构型只受少数关键参数控制。然后针对概念模型进行高精度有限元分析,得到能够权衡计算精度和计算代价的有限元模型。接着对反射镜的概念模型进行布局优化设计。最后提出反射镜的详细模型,并对其进行参数优化设计。该设计流程通过Isight平台集成后自动运行,并回避了传统上光机结构设计流程依赖于几何模型的不足。基于该集成流程,设计了一个1.5 m口径反射镜,分析得到其面形PV值小于λ/12,RMS值小于λ/56(λ=632.8 nm)。设计结果表明,该方法具有很高的设计效率和实用性。

中心轴支撑大口径反射镜面形装调控制方法

本文运用力学分析方法,揭示了工程实践中的基于中心轴支撑的大口径高精度反射镜面型变化机理,通过有限元分析结果与实验结果的对比,提出了使用装调手段控制其在微小范围变形的基本方法;在对520mm口径中心轴支撑椭球面反射镜进行装调的实例中,运用该方法获得了RMS值1/50λ(λ=632.8nm)的面型精度.

基于Pro/M的大口径反射镜的变形分析及其支撑优化

针对某大型激光装置中使用数量众多的大口径反射镜结构,运用Pro/E软件中的Mechanica研究其受重力影响的变形,并对反射镜的支撑结构参数进行灵敏度分析和优化计算,寻找使得反射镜片变形最小的结构参数,为大口径反射镜组件结构的设计提供依据。

大口径反射镜结构参数优化设计

空间光学遥感器分辨率要求的不断提高使其主镜口径也在不断增大,从而对主镜进行轻量化设计就成为空间大口径反射镜工程的关键技术。该文介绍了一种对反射镜轻量化结构进行优化设计的方法,利用MSC.Patran软件建立了蜂窝夹芯反射镜的参数化模型;对反射镜的各结构参数进行了灵敏性分析,得到了各参数对反射镜面形精度的影响曲线;根据反射镜的加工工艺,合理地确定结构参数的变化范围,利用正交分解法进行参数优化。

空间遥感器大口径反射镜支撑结构型式综述

文章针对空间遥感器大口径反射镜(口径大于500mm)总结了影响支撑结构设计的主要因素,介绍了几种主要的支撑结构型式,并讨论了支撑结构设计中所需要考虑的若干问题。

大口径反射镜的ANSYS有限元分析及实验研究

为了研究大口径反射镜的面形,在广泛调研大口径反射镜应力控制技术的基础上,从理论模型和实验两个方面同时进行。利用ANSYS建立大口径反射镜模型,得到其重力作用下的形变和受力面积变化的D_(PV)-S关系曲线。建立了反射镜面形变化实验验证平台,对垂直放置的反射镜在不同方向上加力,利用干涉仪实测上侧面加压和背部支撑时的形变。实验验证了理论模拟结果,二者相差仅仅0.002μm～0.122μm。结果表明,这对今后进行类似的实验研究提供了值得借鉴的面形检测方法,为寻求优化的大口径反射面形控制装校方案奠定了基础。

大口径反射镜轻量化及其支撑结构设计

为了满足大口径(800mm×400mm)矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求,采用背部3点支撑方式,基于Bipod原理,为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构。分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响,选取其中影响较大的参量作为设计变量,对镜体轻量化结构进行了优化设计,并进行了有限元分析。结果表明,优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。振动试验结果与有限元分析结果相符,证明了其准确性。

Bipod支撑大口径反射镜的零重力面形测试技术

双脚架结构具有静定支撑的特点,可以隔离机械附加载荷,因此成为大口径空间相机反射镜组件的常用支撑形式之一。在地面装调时,采用双脚架支撑的反射镜的面形因重力作用而下降。空间相机入轨后,随着重力变形的释放,反射镜面形会再次发生改变。有限元分析方法评估反射镜组件的重力误差,其精度难以达到高质量高分辨率成像的要求。同时,反射镜加工过程中使用的重力卸载方案也难以沿用至组件阶段。针对重力误差测试过程中装配误差与三叶像差混叠以及检测光路对球差测试精度不足的问题,提出了翻转与卸载相结合的测试方案。基于不同像差的正交性,可以进行分别测试来逐项获取各像差。通过反射镜组建的翻转测试,分离装配误差与重力误差中的三叶像差。设计一定精度的卸载装置,通过卸载前后的对比测试,得到重力造成的球差等旋转对称像差。采取上述方案可以实现对全部重力误差的实测。利用1.3 m口径高轻量化反射镜组件进行了测试验证,其重力误差面形rms和在轨面形rms分别为0.192λ(λ=0.6328μm)和0.023λ。

大口径反射镜表面颗粒物洁净度控制实验研究

针对高功率固体激光装置反射镜表面的颗粒引起的损伤问题,分别进行离线实验和在线实验,采用风刀及暗场成像系统相结合研究表面颗粒去除率。研究结果表明:当风刀偏转角度为0°且风刀距离大口径反射镜镜面10 mm时,对灰尘颗粒的去除效果最好,可达96.5%,而对相同尺寸的Al_(2)O_(3)颗粒和Fe颗粒效果次之,对SiO_(2)颗粒效果最差,在线平均去除率可达84.9%。通过对反射镜表面颗粒污染物的在线沉积规律研究表明采用风刀吹扫技术一周洁净一次可实现反射镜表面长期洁净,该技术可推广至大口径高能激光装置及未来超大型高功率激光装置中。

大口径反射镜低附加波前控制技术

为降低惯性约束聚变装置中大口径反射镜在重力作用下附加面型对光束质量的影响,对大口径反射镜镜背支撑技术进行了研究。经支撑结构优化,大口径反射镜由重力导致的附加面型从0.5μm降为0.26μm。对大口径反射镜镜体的打孔工艺、镜体与支撑架联接工艺及镜架结构进行了研究,并加工了样机进行验证,从实际测试结果来看,采用的反射镜打孔及粘结工艺对反射镜面型的影响可以忽略,反射镜镜架结构可以满足反射镜支撑要求,反射镜采用背支撑技术可以有效降低重力带来的附加波前。

大口径反射镜侧支撑结构力学分析

从理论上论述了在真空望远镜主反射镜的几种侧支撑结构,并运用有限元法对之分别进行了分析计算,得到使用了不同侧支撑结构的真空望远镜主镜在不同观测角度时的表面变形结果,通过比较变形结果,得到使用新配方粘接剂的粘接侧支撑机构支撑效果更好。在已确定使用Grubb十八点底支撑结构后,分析了使用粘接剂的侧支撑结构主反射镜变形与应力情况。通过有限元分析结果,得出变形结果符合整个光学系统的公差要求,同时证明了使用改性粘接剂的侧支撑系统可有效减少光学件表面变形量。

大口径反射镜加工机床在线检测高精度对准方法

本文提出了基于特殊点对靶标的快速对准装置,实现机床加工臂和检测臂初始扫描位置自动高精度复位。靶标由外围区域四组放大倍率标定点对和中心区域大小对准点对组成;对准装置经初次使用前的畸变校正后,每次自动识别靶标区域完成自动对焦;根据外围点对进行放大倍率标定;自动识别中心大小点对并对其进行坐标定位;根据当前点对靶标位置计算与理想位置角度量和平移量偏差,指导机床转台和导轨互相配合,迭代调整直至完成精确对准。实验表明该方法对准精度约为5μm,优于几十μm的机械定位精度,更利于实现超高精度光学加工的快速收敛,提高大口径反射镜加工效率。

大口径反射镜子孔径拼接自检验精度分析

为了解决大口径反射镜子孔径拼接精度评价的问题,提出了自检验的子孔径拼接精度分析方法,实现了对大口径反射镜拼接精度的分析评价,同时提供了一种拼接精度检测方法。自检验即利用子孔径检测面形对拼接获得的拼接结果进行拼接精度检验。讨论了相应的精度评价指标及计算方法,并结合工程实例,利用准600mm干涉仪实现了对准800mm平面镜的拼接测量。以自检验的评价方式对拼接精度进行了分析,结果表明,拼接结果是准确的,同时验证了以自检验方式评价拼接精度的可靠性与准确性。

大口径反射镜镜面自动清洗装置设计

望远镜主反射镜需要定期清洗,但技术人员手动清洗的效率低,质量一致性差,清洗质量依赖于技术人员的能力和技术水平,而且随着反射镜口径增大,手动操作越来越困难。本文提出自动清洗的方法,采用分区域清洗和移动清洗。在清洗时,清洗装置打开至清洗位置,完成清洗后,清洗装置收起至反射镜的侧面,不影响望远镜的观测。清洗步骤由程序控制自动进行,减少了人的参与和工作量,避免了因为技术人员的能力和水平的差异造成的清洗效果不同,清洗效率高,结构紧凑,自动化程度高,可以应用于大口径反射镜镜面的清洗。

大口径反射镜低应力夹持技术

高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变和姿态稳定提出了苛刻的要求,在确保姿态稳定性的同时,要求低应力夹持使附加波前畸变峰谷值(PV值)<λ/3,波长λ=633 nm。提出了一种正面三点支撑结合侧面八点限位的大口径反射镜夹持技术,对该夹持结构下引起的附加波前畸变进行了仿真和实验研究,并对反射镜姿态稳定性进行了不同工况下的实验模拟。结果表明,该夹持方式引入的附加波前畸变PV值约为23.6 nm,振动、晃动、翻转不同工况下反射镜指向变化PV值小于50μrad,附加波前畸变和姿态稳定性均满足高功率激光装置的要求。

大口径反射镜背部支撑结构的响应面优化方法

惯性约束聚变(ICF)装置中大口径反射镜在自重作用下的畸变常常导致其面形精度降低,从而降低整个激光装置的打靶精度。为了满足反射镜面形精度要求,以反射镜通光表面面形峰谷值(PV值)为优化目标,以支撑点位置为设计变量,对两种反射镜背部支撑方式进行优化研究。通过对试验设计方法、常用响应面类型和优化算法的分析,综合考虑优化效率与精度,最终选取Kriging响应面结合遗传算法开展优化工作。为提高优化效率,提出了两步优化策略。首先建立基于全设计范围的粗精度响应面模型,得到表示设计变量与目标量关系的曲面与初步优化结果。然后基于初步优化结果,缩小设计范围建立高精度响应面模型,进一步优化支撑点位置以得到最佳支撑形式。结果表明响应面优化的最优解与该点处的有限元计算结果非常接近,与在有限元模型上直接优化结果的误差在可接受范围内,但计算效率得到了很大提升。