大口径光学遥感器主反射镜轻量化方案设计

合理的轻量化结构设计是降低大口径反射镜重量的实际而有效的方法,同时可以有效减少自重等对反射镜面形精度的影响。本文以口径为Φ1200mm主镜为研究对象,采用有限元分析作为研究手段,根据等刚度原则,结合实际工艺情况,设计了两种结构形式的主镜轻量化方案。根据有限元分析结果,确定基于反应烧结碳化硅(RB-SiC)工艺、背部半封闭结构、锥形后表面、采用扇形轻量化孔形式的结构方案为首选方案,并成功研制出了反射镜镜坯。

螺钉防松胶对反射镜面形影响的研究与试验

反射镜组件作为空间相机的重要组件,在进行组件装配时,不但要保证其联接结构具有足够的联接预紧力以抵御动载荷或工作温度变化带来的影响,还要准确控制拧紧力矩避免对镜面面形造成较大的影响。以某空间相机的主镜组件为例,对螺钉防松的工作机理、采用防松粘接剂情况下的实际紧固力矩计算、对反射镜镜面的影响等方面进行了分析计算,并进行了试验验证。分析及试验结果表明,不同的螺钉防松胶对拧紧力矩、预紧力及反射镜面形造成较大的影响,其中,与不使用防松胶相比,硅橡胶(GD-414)和厌氧胶(J-222)对镜面面形的影响分别增加了31.9%和74%。在使用螺钉防松胶进行防松处理时,应根据不同防松胶的具体特性,调整螺钉拧紧力矩,在联接环节具有较高可靠性的同时,降低其对反射镜面形的影响。

大口径光学遥感器主反射镜支撑设计

大口径主反射镜作为光学遥感器的重要部件,它的面形精度直接影响成像质量的好坏,其支撑结构设计一直是研制光学遥感器的关键技术。本文对某大口径光学遥感器主反射镜的支撑结构进行了研究,根据设计要求和理论计算方法确定了支撑点数量及分布位置,通过有限元方法分析和优化了支撑点的分布位置,结合大口径反射镜的特点加入侧面辅助支撑,得到了理想的面形精度。

超大口径空间光学遥感器的应用和发展

针对空间遥感技术的迅速发展及其对空间探测精度需求的提高,对研制更可行有效的超大口径空间光学遥感器的技术路线开展了研究。介绍了该领域已发射和计划发射的超大口径光学遥感器涉及的发展历史和结构特点,以及它们的研究现状和应用领域,主要包括整体式成像系统、分块可展开成像系统、光学干涉合成孔径成像系统和衍射成像系统等。分析对比了各种传感器的性能特点及现阶段的应用情况。最后,考虑我国高分辨率、高成像质量空间光学遥感器的应用需求,结合当前技术条件以及相关技术的发展趋势,分别针对2~4m大口径系统,4~10m超大口径系统和更大口径系统的成像需求提出了最佳解决方案。

胶层固化对反射镜面形影响的仿真与试验

研究了用厚胶层进行光学零件之间的黏结操作时,胶层固化后其收缩力对反射镜面形的影响。首先,分析了胶层固化过程中胶层对光学元件产生拉应力的原理,找到了胶层固化过程中产生收缩力的主要因素。其次,建立了反射镜胶结组件的有限元模型,采用等效热变形法仿真分析了胶层收缩对反射镜面形的影响,分析发现胶层的等效线胀系数不能直接采用收缩率代替,而将材料的收缩率转换为胶层的等效线胀系数后,分析结果与试验结果吻合较好。最后,提出了减小胶层收缩对反射镜面形影响的改进方案。试验结果表明:黏胶方案改进后,胶层固化过程中的收缩力引起反射镜中心区域鼓包的PV值从0.574λ减小为0.064λ,镜面面形均方根值从0.127λ减小为0.038λ,这些结果显示胶层固化过程中产生的收缩力对反射镜面形的影响得到了显著改善。

空间相机均力输出式调焦机构

为了补偿空间相机因所处复杂运载环境和空间运行环境导致的焦平面偏移,研制了一套利用均力输出组件驱动,正反双曲柄滑块机构传动,直动组件导向的新型高精度调焦机构。介绍了其结构组成和运动原理,并对其误差来源及影响因素进行了深入分析。该调焦机构采用两点支撑方式,两支撑点均力输出且无同步性误差,机构内应力小,运行平稳,调焦精度高;运动副采用预压消间隙措施,有效消除配合间隙,无空回,重复精度高。在模拟空间环境条件下,对其各项参数进行了测试。试验结果表明,该调焦机构可在±1.77mm间调焦,直线定位精度大于±8μm,重复性优于±2μm;同步性误差小于±4μm,重复性优于±3μm;调焦行程范围内调焦反射镜转角精度优于±5″,重复性优于±1.5″。得到的结果能够满足空间相机在复杂空间环境下的成像需求。

空间大口径单体反射镜计量卸荷支撑研制中的关键技术

通过对空间大口径单体反射镜支撑技术发展现状及发展趋势的调研,总结了当前大口径单体空间反射镜支撑技术中较为成熟的技术路线。在此技术路线中,计量卸荷支撑是必须要攻克的一项核心难题。本文介绍了计量卸荷支撑的概念,并针对计量卸荷支撑研制过程中的关键技术进行了深入的讨论,包括支撑点数量、位置及支撑力大小的确定方法,支撑力执行单元的方案设计以及计量卸荷精度的保证方法等;通过对计量卸荷支撑研制过程中关键技术的总结,期望对我国空间大口径单体反射镜的研制提供借鉴意义。

大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。

利用正交位移测量系统进行六自由度并联机构参数标定

为了简化六自由度并联机构的参数标定过程,提高标定效率,降低标定成本,提出了基于正交位移测量系统的位姿测量装置及方法。首先,研究了该装置的位姿解算方法,利用空间解析几何的方法,求解其运动学正解与逆解。其次,利用微小位移合成法,建立了并联机构及正交位移测量系统组合体的误差模型。然后,基于误差模型,构建了组合体参数误差辨识的最优化问题数学模型,其中,传感器示值的平方和最小为目标函数,组合体的结构参数误差为设计变量。最后,利用正交位移测量系统对六自由度并联机构位姿进行测量,利用OASIS奥希思软件直接搜索出参数误差最优解,将其补偿到并联机构控制系统中,完成并联机构的参数标定。标定前后位姿误差对比表明:最大位置误差降低了58%~96%,最大姿态误差降低了92%~97%。利用正交位移测量系统进行并联机构参数标定,不仅可有效提升并联机构的定位精度,还可有效简化标定工作,提升标定效率,降低标定成本。

应用方位反向技术提取反射镜零重力面形

为了预估碳化硅反射镜在空间零重力环境下的面形精度,本文开展了在地面环境下利用方位反向技术提取碳化硅反射镜零重力面形的研究。首先,介绍了方位反向技术提取零重力面形的理论依据;其次,利用有限元分析软件,分析了方位反向对反射镜面形的影响;然后,按照试验流程,先后检测了反射镜在0°和180°状态的面形精度,计算两次检测数据的平均值,得到了反射镜零重力面形。结果表明:反射镜地面零重力面形误差RMS值为12.3 nm,能够满足设计指标要求。最后,对数据可信度进行了分析,确认了试验数据真实可信。该结果预示了反射镜在空间零重力环境下的面形精度,对反射镜光学加工与装调有重要的指导意义。

焦面二维精密调整机构研究

针对大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器对调焦和调偏流的要求,本文基于高刚度、高强度滚珠花键结构和高精度滚珠丝杠结构,提出了一种焦面二维精密调整机构,能够实现调焦和调偏流目的。焦面二维精密调整机构结构紧凑,占用空间小,质量轻,并具有足够的强度、刚度、良好的自锁性能及抗冷焊性能。机构的质量为5.5 kg,调焦范围为±2 mm,调焦分辨力为0.17μm,调偏流范围为±5°,调偏流分辨力优于0.000 2″,对机构进行精度检测,各项参数均满足指标要求,适合在大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器空间光学遥感器中使用。

小型红外相机结构设计与分析

为使某飞行设备携带的小型红外相机在宽温度范围及恶劣动力学环境下能够良好成像,开展了红外相机光机结构设计。首先对光学系统及整机工作环境进行了分析,确定了光机结构采用全铝机身;其次对核心部件——主镜的支撑结构进行了详细研究,分析说明了主镜传统支撑方式的局限性,确定了主镜与支撑采用一体化设计的方案,该设计同样适用于次镜;接着根据相机尺寸选择了主次镜间支撑结构;然后根据光学系统设计了合理的遮光罩;最后,对相机过载适应性、温度适应性及模态进行了有限元分析,分析结果表明:该小型红外相机的光机结构能够满足设计指标要求。

分体式超大口径空间遥感器技术及其发展

针对天文观测和国防建设对超大口径空间遥感器的迫切需求,对分体式超大口径空间遥感器技术进行了系统研究。首先阐述了该技术的主要实现方式和基本原理,主要包括分体自重组系统,分体空间装调系统和分体空间制造系统,概述了不同实现方式的发展历史和研究现状;总结了各种实现方式的结构特点和核心技术,并对其发展前景进行了分析和展望。最后,根据我国未来空间探测的实际需求,结合现阶段技术水平和未来的技术潜力,给出了重点发展分体自重组技术,积累完善分体空间装调技术,布局分体空间制造技术的建议。

一种新型调焦机构设计

设计了一种用于空间光学遥感器的调焦结构,结构采用正反螺旋的丝杠、双螺母和双连杆,弥补了传统调焦机构的不足。机构精度为0.0021~0.0029mm。工程分析结果表明,该机构动态刚度好、环境适应性强,适合在空间光学遥感器中使用。

离轴TMA航天测绘相机离焦补偿机构设计

为了弥补离焦产生的影响,本文从离轴TMA航天测绘相机的工程实际出发,提出了一种基于滚珠丝杠及连杆的离焦补偿机构,分析了机构的设计需求,确定了机构的调节位置,对机构进行了结构设计、精度设计可靠性分析以及性能检测。机构的X轴晃动为±2.7″,Y轴晃动为±3.3″,曲线拟合残差小于2μm,抽检最大误差为5μm,机构具备良好的自锁性能。性能检测结果表明该机构综合性能良好,适合在离轴TMA航天测绘相机中使用。

增材制造空间反射镜结构拓扑优化技术发展综述

通过对空间反射镜拓扑优化及增材制造技术当前发展现状趋势的调研,总结了当前反射镜拓扑优化及增材制造的较为成熟的技术。针对空间反射镜拓扑优化与增材制造工艺制造相结合存在的问题进行阐释,对拓扑优化反射镜的增材制造工艺模拟和技术路线进行详细介绍,以保证拓扑优化设计的空间反射镜具有可制造性并在进行增材制造后达到良好的性能。通过对当前增材制造空间反射镜结构拓扑优化发展的总结,指出当前增材制造空间反射镜结构拓扑优化存在问题及未来发展趋势,以期对我国拓扑优化与增材制造相结合制造空间反射镜的研制具有借鉴意义。

基于增材制造技术空间反射镜结构拓扑优化设计方法研究与试验验证

为了获得轻质、高面形精度的空间反射镜设计方案,提出了一种将拓扑优化与增材制造技术相融合的设计制造方法。首先对空间反射镜设计的基本流程、关键技术进行了介绍,分析了拓扑优化构型设计技术与增材制造技术二者结合的优越性;其次,采用背部开放式结构拓扑优化设计方法完成了ϕ500 mm口径SiC材料反射镜的方案设计;最后,采用激光选取熔化技术,完成了ϕ260 mm口径铝合金材料反射镜镜坯的制作,并在反射镜与其支撑结构装配完毕后,对反射镜组件进行了模态测试。结果表明,反射镜光学和机械性能能够满足其工作要求,结构的轻量化率、刚度明显优于传统设计方案,为空间反射镜结构设计的改进和优化制造提供了一种行之有效的研制方法。