大口径环形分段光学系统基准构建方法

为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建,本文提出一种大口径环形分段光学系统基准构建方法。首先,采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射;其次,利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准;之后,基于环带整体调控模式,采用共焦与曲率半径联合分析,实现曲率半径与系统对准的共同调节;最后,利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测,并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接,空间共焦基准定位精度优于125μm,共相基准覆盖范围优于20μm,精度优于0.5μm,光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制,利用以上共基准原位测量新方法有效提升了光学系统原位计量检测精度并缩短了溯源链长度,增加了检测效率与准确度。

大口径主镜反射膜生长热应力及重力仿真

为了充分了解大口径主镜镀膜时热应力及自身重力的分布规律,达到控制反射镜面形变化、提高成膜质量的目的,采用有限元分析方法,对大口径主镜反射膜的生长热应力及重力对反射镜面形的影响进行了理论分析和研究。结果表明,大口径主镜反射膜更容易在靠近边缘位置处出现剥落和损坏情况;大口径主镜镀膜过程中,自身重力引起的反射镜面形变化对镀膜质量会产生较大影响,需要进行重力消除处理;3000 mm口径的主镜在采用镜面向上、向下蒸发膜料的方式镀膜时,需要对支撑方式进行优化设计。该研究为大口径反射镜镀膜时控制热应力及重力对反射镜面形的影响提供了参考。

1m望远镜主反射镜的支撑和装配

考虑大口径光学望远镜中主反射镜的支撑精度直接影响光电探测设备的整机性能,本文根据光学系统对口径为1 000mm的主镜的支撑精度要求和光电设备中主镜的使用情况,采用轴向和径向组合支撑的结构形式来完成对主镜的支撑,并通过有限元法对支撑位置进行理论分析和计算。实验显示,在轴向18点浮动支撑、径向3点柔性支撑的情况下,主镜能够达到较高的面形精度。针对传统装调工艺不能获得理想的面形精度,探索了新的主镜装调方法。用干涉仪对带有支撑的主镜进行实时测量并进一步进行修磨,使主镜在装配完成后达到λ/18的面形精度。该方法满足了本项目的指标要求,也为更大口径主镜的装调提供了一种新的思路。

3.5 m口径空间望远镜单块式主镜技术展望

主反射镜的口径大小与结构形式在极大程度上决定了空间望远镜的技术难度与经济成本。为了实现更高的空间分辨率与更强的信息收集能力,各国研制的空间望远镜主反射镜的口径朝着越来越大的趋势发展,从"哈勃空间望远镜"(HST)的2.4 m,到"新世界观测者空间望远镜"(NWO)的4 m,甚至到"先进技术大口径空间望远镜"(ATLAST)的8 m,无不体现了对超大口径空间观测能力的追求。而单块式主镜凭借其支撑技术的可靠性与经济性,正成为超大口径空间望远镜的首选。通过对国外研制的超大口径空间望远镜的论述与分析,探讨了目前空间望远镜中超大口径主反射镜的关键技术与发展方向。针对目前国内运载能力与光学制造加工能力的极限,提出了建造基于3.5 m口径主镜的空间望远镜设想。

天基大口径反射镜支撑技术的发展

为了满足人类对地观测和宇宙探索的更高性能要求,空间望远镜反射镜口径已经从米级向十米量级迈进,呈现不断增大的趋势。大口径反射镜支撑与反射镜面形精度和稳定性直接相关,是决定空间望远镜实际观测能力乃至任务成败的关键技术之一。首先对大口径反射镜的三种主要支撑形式进行了介绍并做出适用性比较。在此基础上,从影响反射镜支撑设计的各个因素出发,讨论了反射镜支撑的设计原则。然后结合设计原则的讨论和国内外研究进展对支撑点数量和位置优化、无热化设计、无应力装配设计等大口径反射镜支撑关键技术及发展方向进行了探讨,期望对我国大型空间望远镜的研制提供借鉴,在新一轮空间探索热潮中实现跨越发展。

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法。该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化。首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型。文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000Hz,轻量化率达到86.0%。得到的结果验证了本文方法的有效性。

采用液压Whiffle-tree的大口径主镜轴向支撑

轴向支撑对大口径主镜的定位及镜面变形有着重要的作用,为了深入开展该课题的研究,在传统机械Whiffle-tree支撑的基础上引入了轴向液压Whiffle-tree支撑。首先,从三点运动学定位支撑原理出发,介绍了Whiffle-tree支撑的特点与分类,着重对比分析了液压Whiffle-tree和机械Whiffletree支撑的优缺点。进而,根据液压Whiffle-tree的特点,分析推导了其建模方法,并运用该方法对一块18点液压轴向支撑的大口径主镜进行了静力学分析与优化,拟合后镜面变形RMS值为18.6 nm,满足设计要求。同时通过对不同建模分析结果的对比,验证了该建模方法的合理性和正确性,为大口径主镜的轴向支撑分析提供了一种参考。

大口径光电探测设备主镜晃动的误差补偿

针对大口径光电探测设备在随俯仰角变化时由于主镜支撑点的变化而产生的晃动,研究了在静态测量时如何补偿主镜晃动造成的误差以提高大口径望远镜的静态测量精度。首先给出了一个1m口径望远镜的支撑结构和力学模型,在分析了传统三轴误差补偿方法和球谐误差补偿方法的基础上提出了针对大口径望远镜的误差补偿方法。在外场对光测设备进行了标校实验,选取32颗恒星在修正了蒙气差后对各个系统差进行求解,得出了主镜晃动误差和三轴差。与传统误差补偿方法的比较结果显示:加入主镜晃动误差补偿后,望远镜的静态测量精度从15.4″提高到了2.5″。此种方法物理意义明确,各误差分量重复性好,对主镜晃动误差进行补偿修正后提高了大口径望远镜的静态测量精度。

大口径光电经纬仪主反射镜支撑结构设计

针对大口径光电经纬仪主镜的支撑结构对主镜面形精度的影响,对大口径光电经纬仪的Φ1 000mm主镜的支撑结构进行了研究。分析了现有轴向和径向支撑结构的局限性,提出了适用于大口径主镜的新的轴向和径向支撑结构,并阐述了该支撑结构的工作原理和优势。利用有限元分析软件建立了主镜的参数化模型,优化了主镜轴向支撑点和径向支撑点的位置,并分析了主镜光轴在竖直和水平位置两个极限状态下的面形误差,计算得到了主镜在竖直状态下面形误差RMS值为2.52nm;在水平状态下面形误差RMS值为4.33nm。对主镜进行装调后,用光学干涉仪检测得到主镜光轴水平时面形精度RMS值为19.87nm。仿真分析结果和实物检测结果都满足设计指标中面形误差RMS值小于λ/30的要求(λ=632.8nm),验证了轴向和径向支撑结构的可行性。

国外大型地基望远镜主镜支撑综述

对于大型地基望远镜来说,主镜支撑是关键技术之一,主镜支撑效果直接影响望远镜的观测能力,文章详细介绍了目前国际上具有代表性的一些望远镜主镜的底支撑和侧支撑方法和结构等,总结了主镜支撑的几个原则,期望对我们从事大口径望远镜的研制提供一些借鉴意义。

基于液压支撑的大口径主镜稳像技术

望远镜的俯仰运动会使主镜相对镜室的位置发生改变,进而影响望远镜的稳定成像。为了校正主镜位置变化,本文提出了利用液压支撑对主镜相对镜室位置进行实时控制,实现对主镜稳像的方法。利用实验室现有的1.23mSiC主镜为监测目标搭建了测试系统,设计了基于6个位移传感器的位置监测系统。在未启用和启用液压稳像技术两种状态下,测试了主镜位置变化,并对主镜位置进行解算,试验结果表明液压支撑技术有确实的稳像效果。当镜室转动40°时,未稳像的主镜其X向平移变化为150μm,绕X轴转角为2.5"。采用液压稳像后,X向平移变化减小为3μm而绕X轴转角减小为0.4"。测试结果表明,基于液压支撑的主镜稳像技术可以实现对主镜位置的实时检测和控制。

大口径望远镜主镜支撑结构研究

主镜是望远镜系统的重要组成部分之一。随着其口径的不断增大,望远镜的重量也随之加大,自重、热变形等问题将对主镜镜面的面形精度产生一定的影响.因此,在保证系统精度的同时,要尽可能的减少结构重量,所以在设计阶段就要根据光学系统的技术要求及影响因素对主反射镜的支撑方案进行综合考虑和全面分析,使其结构设计更为合理.根据大口径望远镜系统主镜结构设计的要求,利用结构分析软件,建立结构分析模型,来确定主镜支撑方案.详细分析了大口径望远镜主镜支撑的各方面技术。

大口径反射镜轴向硬点定位

为了开展大口径主镜轴向支撑系统的研究,引入了硬点定位的概念。从三点运动学定位原理出发,详细地比较了不同支撑系统中硬点的特点和功能。进一步阐述了硬点在前期设计中所考虑的因素,分析了在特殊工况下,硬点与主镜轴向支撑系统刚度的关系,并选择了一块大口径薄弯月主镜作为对象,从静力学和动力学两个方面详细介绍了主镜硬点的设计过程,确定了其支撑圆半径和轴向刚度。讨论了当部分支撑点失效时,硬点与其他支撑点之间的相互影响。结果表明:新型轴向硬点定位较传统主镜定位方式优势明显,能够满足大口径主镜支撑系统的各项要求。

大口径望远镜主镜支撑优化分析

大口径望远镜主镜的面形精度是影响望远镜成像质量的关键因素之一。光电系统中主镜轴向支撑点位置,对面形精度起着非常重要的作用,主镜支撑点位置合理与否,在一定程度上影响着光学系统的成像质量。本文对大口径望远镜主镜的轴向支撑和径向支撑技术进行了详细地研究,利用有限元软件ANSYS建立了主镜的参数化模型,对不同口径主镜的轴向支撑点数目和位置进行了优化,从而给出了最佳支撑点的位置。优化分析结果表明了,主镜的面形精度满足系统的精度要求,并且轴向支撑对镜面的面形影响较大。

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。

2m SiC反射镜拱形轻量化结构设计

针对口径为2060mm的地基大口径望远镜主反射镜,选用SiC材料和新型拱形轻量化结构进行了详细的轻量化参数设计,并对支撑环半径进行了优化。对于Whiffletree18点支撑和27点支撑形式,从静力学(重力作用)和热力学两方面对比分析了两种轻量化结构的镜面变形,结合SiC反射镜的加工工艺,最终确定18点支撑的轻量化结构为首选方案。同时,就SiC反射镜对稳态温度差导致的热变形较敏感的问题,提出可通过设计与镜体热变形相匹配的支撑结构来满足镜面变形的要求。

地基大口径望远镜主镜主动支撑系统综述

主动支撑技术作为地基大口径望远镜建造的核心技术,直接影响望远镜的观测能力,一直以来备受关注。文章系统性地总结了地基大口径望远镜主镜的定位系统和支撑系统。定位系统包括三点硬点定位、六杆硬点定位;支撑系统包括采用不同促动器结构的轴向支撑系统及采用"竖直推-拉"、"斜向推-拉"和"推-拉-剪"形式的径向支撑系统。文章还结合了国外采用主动支撑结构的大口径望远镜,对其主动支撑技术进行了详细介绍和总结分析,希望为大口径望远镜主镜主动支撑设计提供一定的经验参考。

大口径主镜热边界层热控对成像质量影响分析

随着望远镜口径的增大,主镜热惯性增大,主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动,严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例,仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布,将热边界层的流场参数转化成折射率场分布,采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响;验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于±2 K的合理性;同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级,显著提高了主镜视宁度,进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。

地基大口径望远镜系统结构技术综述

概述了地基大口径望远镜的发展状况,阐述了口径变大的意义及实现的关键技术途径。概括了当前大口径望远镜的应用价值。介绍了国外5种典型的大口径望远镜系统,它们代表了当前地基大口径望远镜发展的最高技术水平。从跟踪架、主望远镜筒、主镜支撑及次镜支撑调整几个方面论述了大口径望远镜的结构特点及关键技术。最后,总结了大口径望远镜系统的发展趋势,指出其光学系统已从同轴系统向离轴系统发展并极具应用前景。

光电跟踪系统Φ1000mm主镜的装调

1 000mm口径主镜的光机装调质量直接影响望远镜光学系统的成像效果。为了改善大口径光电跟踪系统的成像质量,本文对主镜的装调技术进行了研究。首先,对影响主镜面形精度的误差进行分配;其次,结合具体的主镜支撑结构的形式,采用典型装调方法对800mm口径主镜进行详细的装调研究,实时测得主镜的面形精度;最后,综合分析产生装调误差的来源,提出了一种加工、检测、装调一体化的高精度装调方法。该方法使得1 000mm主镜在装调后的面形精度波像差RMS值达到了λ/40,在提高装调质量的情况下显著提高了装调效率。