高强度望远镜载车平台结构优化设计与分析

望远镜是天文观测的重要工具,其口径越大则分辨能力越高,分辨能力的大小又决定了人类可观测到的宇宙空间的大小。相较于传统的地基大口径望远镜,车载望远镜对天气和环境有着更强的适应能力,观测更高效。车载这种动态形式对望远镜的整体质量和尺寸有着严格的要求,随着望远镜口径的增大,望远镜质量也会呈几何倍数增长,这对载车平台的结构也提出了更高的要求。该文以大型光学望远镜的载车平台为研究对象,通过将不同的设计方案进行有限元分析对比,从而得到较好的载车平台结构,以满足望远镜口径增大对载车的要求。

大口径望远镜次镜桁架调整机构设计

大口径望远镜主次镜之间的相对位姿有着非常严格的要求,由于主镜质量较大,因此常常将次镜系统设计为有多个自由度的可调整机构,其调整效果对望远镜成像有着重要的影响。为了降低望远镜的整体高度,对次镜桁架和次镜调整机构进行融合,设计了一种可用于大口径望远镜的次镜桁架调整机构。首先对所设计的调整机构进行了详细的介绍,之后对所设计的机构进行静力学和模态分析,然后对试验样机进行运动学性能测试。所设计的机构在Z方向的移动行程可达±5 mm,绝对定位精度优于16μm,在X/Y方向的偏转行程可达±0.574°,绝对定位精度优于6.4″。满足大口径望远镜对次镜调整精度和行程的要求。

基于力矩促动器的镜面半主动光学支撑系统集成优化设计

基于半主动光学技术的半主动支撑,通过力矩促动器(Warping Harness,WH)弹簧叶片将校正力转换为校正力矩,对由重力、温度等误差源引入的镜面低阶像差进行校正。针对利用传统经验设计反射镜时存在的设计缺陷,提出一种反射镜支撑系统优化设计新方法,即结合结构尺寸优化和经验设计的镜面支撑系统综合设计优化方法,并建立一套基于WH的半主动镜面支撑系统。首先,按照经验公式设计了支撑系统初始结构;设计了一款L形镂空式WH弹簧叶片,并对其开展了非线性分析及疲劳分析,确定叶片厚度为2 mm、寿命为1.2×106次。然后,通过优化镜面支撑点位置、三角板柔节位置、支撑系统柔性件关键尺寸参数,将光轴竖直及水平状态下镜面RMS值由119 nm和106 nm分别降至13.3 nm和4.8 nm;1°C温差状态下镜面面形差由2.8 nm降至1.9 nm;一阶谐振频率由80 Hz提升至130 Hz。最后,采用提出的方法对半主动支撑系统的校正能力进行验证。结果表明:本套半主动支撑系统对镜面离焦、初级像散、初级慧差、初级球差的校正率最高可达99%,且校正后各像差幅值均小于1 nm;室温自重状态下对镜面面形RMS值校正率最高可达46.5%;温升10°C情况下的校正率为31.28%。

基于Warping Harness的半主动光学技术发展研究

半主动光学支撑是介于主被动支撑之间的一种调节镜面低频误差并提升支撑系统建造性价比的技术,本文回顾了该技术在地基大口径望远镜中的应用,陈述了其发展历程并总结三种Warping Harness结构形式及工作原理。分析并总结空间、球载、机载领域典型型号望远镜主镜系统结构参数及主镜面误差源,简单描述了船载、车载光电设备的结构组成和工作状态,分析了车、船载光电设备主镜面形影响因素。对基于Warping Harness的半主动光学技术在空间、球载、机载大口径望远镜和车载、船载大口径光电设备等领域拓展性开展了分析。最后对未来国内应用于大口径望远镜的半主动光学支撑进行了展望。