空间反射镜轻量化结构的拓扑优化设计

为满足较高面形要求,实现空间反射镜的高度轻量化设计,在直径500mm圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法。依据变密度法建立SIMP模型,在反射镜光轴方向重力的工况下,以结构整体柔度为设计约束,最小体积为设计目标,经过迭代,得到了RMS值小于5nm,轻量化率达到75.83%的结构。在同等质量下,传统的三角形孔轻量化结构的RMS值为8.17nm,轻量化率为67.39%。并对优化后的结构与三角形轻量化结构在径向重力工况下进行了面形对比,计算结果满足设计要求。拓扑优化的轻量化方式在面形和轻量化率上都优于传统形式。

空间反射镜新材料研究进展

传统的反射镜材料已满足不了反射镜大口径超轻量化的发展要求。碳纤维复合材料因其出众的性能优势,必将成为未来反射镜材料领域中的重要一员。综述了碳纤维增强SiC复合材料(C/SiC)、碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)、碳纤维增强碳基体复合材料(C/C)这3种具有巨大潜力的反射镜材料,并重点论述了这3种材料的性能特点、应用现状、制备方法及技术瓶颈等问题。最后展望了碳纤维复合材料在反射镜领域的发展前景。

3 m口径空间反射镜的参数优化

重力作用下的面形精度是空间反射镜性能的重要方面。以重力作用下的面形RMS为目标函数,基于反射镜结构和支撑点分布的参数化模型对某3 m口径空间反射镜进行了优化。首先,利用经典理论公式确定了支撑点数量和位置,进行了反射镜结构初步设计;其次,根据反射镜轻量化特征和支撑系统运动学设计建立了反射镜结构和支撑点分布的参数化模型;最后,采用Isight软件实现反射镜优化的过程集成和流程自动化,研究了重力作用下面形精度与各参数间的关系。结果表明,优化后反射镜面形RMS值为86.7 nm,相比初步设计的259.4 nm减小了66.6%,满足了项目指标要求。所提出的优化方法结合了支撑系统运动学模型,为采用相似轻量化结构和支撑方案的大口径反射镜优化提供了一种全面、高效的新思路。

空间反射镜材料性能的研究

详细介绍了在不同温度下金属铝、金属铍、金属镍、碳化硅和几种光学玻璃等常用空间反射镜材料的热物理性能和机械性能,比较了各种材料性能之间的差异和利弊,讨论了确定空间反射镜材料的步骤以及需要考虑的相关因素。

响应面模型的大口径空间反射镜优化

对于采用多点支撑的大口径空间反射镜,反射镜支撑点位置的最优布局是提高反射镜面形精度的重要方面。在Isight优化平台上,应用响应面近似模型对某2 m空间反射镜进行了支撑点位置优化。首先,利用经典理论公式确定的支撑点位置进行了反射镜结构初步设计;其次,利用Isight软件过程集成和流程自动化功能,建立了包括反射镜有限元模型更新、计算、评价的优化平台;最后,采用响应面近似模型研究了反射镜的支撑点位置优化问题,建立了光轴方向重力工况下反射镜面形精度rms与支撑点位置的关系。结果表明,优化后反射镜面形精度rms值为7.3 nm,比初始rms值23 nm减小了68.3%,优化后结果满足项目指标要求。所提出的优化方法提高了反射镜设计的合理性和效率,为大口径反射镜结构优化提供了一种新的思路。

长条形空间反射镜及其支撑结构设计

提出了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足反射镜在重力和温变载荷下对较高面形精度的要求。根据光学设计指标要求确定了反射镜的结构形式,根据该结构形式设计了柔性支撑结构,并利用有限元分析软件对反射镜组件进行了分析和结构优化。分析结果表明,反射镜组件的一阶固有频率达到179Hz,在X,Y,Z3轴方向,1 g重力作用下的镜面面形误差RMS值分别达到5.06,4.43,7.59nm;在3个方向1 g重力和4℃温升耦合作用下,镜面综合面形误差RMS值分别达到6.08,6.32,8.08nm。实验室静态检测结果表明,反射镜在4℃温变条件下能够保证像质,力学试验结果与理论分析基本吻合;经过力学与热真空环境试验后,反射镜面形变化不明显。分析及试验结果表明,反射镜及其支撑结构设计合理,能够满足空间应用要求。

大尺寸碳化硅基空间反射镜制备工艺及性能

采用轻量化的硅/碳化硅复合材料制造大尺寸摆镜或高分辨率相机的主镜.该材料的组织构成是双峰分布的碳化硅晶粒和游离硅.利用碳化硅、碳注浆成型制备复杂轻量化结构的的素坯.在硅气相渗透过程中,碳与硅反应形成新的碳化硅,过量硅填充坯体孔隙.由于干燥和反应过程中收缩量小,可用来制备形状复杂且无缺陷的大尺寸样品.硅/碳化硅复合材料可用作空间光学镜面基板,利用电子束物理气相沉积,在基板上沉积硅膜,同时检测硅/碳化硅复合材料和硅膜的性能.制备了各种尺寸的空间用反射镜,直径为120 mm的六角形镜面重0.23 kg,厚度15 mm,表面抛光并镀硅膜,后开式蜂窝状结构的面密度为24.3 kg/m2,面形精度为0.1λ@632.8 nm p-v,表面粗糙度<3nm rms.利用有限元分析方法估计实际条件下的应力和变形.

国外空间反射镜材料及应用分析

空间反射镜材料的选取与反射镜镜坯加工工艺直接影响光学遥感卫星的成像能力。提高空间相机分辨率的直接途径是增大光学系统的口径,因此大口径空间反射镜的材料技术和镜坯加工技术受到了高度关注。在未来相当长的时间内,相关技术都是研究热点。文章重点研究了常用空间反射镜材料的特性,这些材料包括美国康宁公司的超低膨胀玻璃、德国肖特集团的微晶玻璃、碳化硅和碳化硅复合材料,并对熔接法、浇铸法、烧结法等常用的大口径反射镜镜坯加工方法进行了研究,调研了各类材料的实际在轨应用情况。最后根据上述材料的热膨胀系数和反射镜结构强度等特征,分析总结了这些材料的适用范围。

柔性支撑式空间反射镜胶接应力分析与消除

空间光学遥感器不断朝着更高轻量化率的方向发展,传统的装框支撑难以满足系统要求。基于运动学原理的Bipod柔性支撑结构具有良好的力热环境适应能力,在空间光学遥感器的反射镜支撑中得到越来越多的应用。为了有效卸载装配应力,Bipod柔性支撑结构一般通过光学胶与反射镜进行连接,但是光学胶在固化过程中不可避免地存在收缩应力。此外,环境温度的波动以及热真空试验也有可能导致胶接应力的变化,严重时会对反射镜面形造成不利影响。文中针对某Bipod柔性支撑式次镜组件,分析了胶缩对面形的影响,并针对真空放气试验后的面形下降问题,采用消应力与热浸泡相结合的方式有效解决了面形下降的问题,为该类光学胶的空间环境应用提供技术支撑。

1.2m轻量化空间反射镜的重力支撑变形分离

在地面环境检测的空间反射镜面形主要是镜面加工残差和重力支撑变形等耦合的结果.为实现1.2m轻量化空间反射镜的重力支撑变形分离,通过测量镜面在等梯度支撑力下的面形,由镜面力学响应得到镜面畸变和支撑力变化的关系,以此作为界定有限元分析结果和优化有限元模型的依据.将由修正模型得到的重力支撑面形畸变从反射镜面形检测结果中移除,即可得到反射镜加工残差.研究表明,修正后的模型对100N支撑力变化引起的面形畸变与实测结果误差≤0.001λ,面形检测为1/30λ的空间反射镜,其无重力和支撑影响的加工残差优于1/40λ.该结果不仅能指导反射镜面形的高精度抛光,还可提高最终系统装调精度.

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600mm×260mm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=λ/5,采用分区纵栅格加工路径,反射镜最高温度则达到52℃,PV=λ/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=λ/20,采用分区纵栅格加工路径反射镜温度最高为41℃,PV=λ/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。

基于表观拉压模量与剪切模量差异的空间反射镜支撑

随着航天遥感技术的发展,航天相机分辨率越来越高,空间反射镜的口径也越来越大。基于"钛合金+微晶玻璃"材料体系的托框支撑空间反射镜组件结构,当反射镜口径增大到超过500mm时,由于钛合金与微晶玻璃的线膨胀系数差异较大,温度变化时,由于膨胀变形不匹配所导致的反射镜面形恶化变得不可忽视。在反射镜组件中,钛合金镜框与微晶玻璃反射镜之间的连接是通过胶斑实现的,而胶斑的表观剪切模量仅为表观拉压模量的1/30左右。文章通过空间布局,利用胶斑的表观拉压模量进行反射镜的支撑,利用胶斑的表观剪切模量进行膨胀失配的卸载,解决了托框支撑反射镜组件在口径500mm^1 000mm范围内温度变化对面形的影响问题,扩展了托框支撑反射镜组件的应用口径范围。

长条形空间反射镜镜体及其支撑结构设计

为了满足长条形空间反射镜的设计要求,从结构材料的选择、镜厚比确定、支撑方式与最佳支撑点位置的选择以及镜体轻量化等方面进行了详细的镜体结构设计。设计了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足温度载荷与装配误差0.05mm工况下镜体面形精度的要求。利用有限元分析软件对反射镜组件进行分析,反射镜组件在Z向1g重力、4℃温升以及0.05mm强制位移三种工况耦合作用下的面形误差峰谷值PV为20.5nm,均方根值RMS为4.75nm,优于PV值小于λ10,RMS值小于λ50的设计指标。组件一阶频率141.83Hz,满足动态刚度要求。组件分析结果表明,反射镜及其支撑结构设计合理,满足空间应用要求。

几种经典振子的时间反演空间反射变换性质

讨论5种振子运动微分方程在时间反演、空间反射和两种变换复合变换下的变换性质,提出应当研究经典力学中的时空分立变换.验证时空分立变换性质相同的振子系统运动方程可以通过非局域变换相互联系.

空间反射镜支撑结构研究概述

随着我国遥感卫星和空间光学的发展,星载遥感器的分辨率越来越高,光学系统的主反射镜口径越来越大,其结构形式、镜体质量、支撑安装方式和温度环境都将直接影响整个系统的成像质量。本文探讨了空间反射镜支撑结构的设计,着重解决反射镜自重引起的变形问题、反射镜和支撑结构线膨胀系数不同引起的应力及变形问题, 保证反射镜的冷却和温度均匀性,保证光学系统的像质始终满足设计要求和使用要求。

空间反射镜轻量化技术的研究进展

为了提高空间光学系统的分辨能力,大幅度降低昂贵的发射成本,空间反射镜的轻量化技术被不断深入研究。分析了空间反射镜轻量化的技术途径:选用适当的材料;反射镜轻量化外形、拓扑结构和支撑形式的设计;集成分析与优化。总结了空间反射镜轻量化技术的未来趋势是光、机、热、电、控和材料的一体化分析与全面的多学科多目标优化。

基于费马原理的三维空间反射定律探讨及其应用

费马原理是阐述光线传播的基本规律,是几何光学的一个重要原理,其核心内涵是光沿着光程为极值的路径进行传播。在几何光学教学过程中,通常分析或求解的光线传播过程及其几何现象是在二维平面内,且仅定性地认识费马原理的物理含义,这会使得学生形成一定程度的思维定式。为增强学生的发散性与创新性思维,提升对费马原理的一般性认识,本文基于费马原理探讨并推导了三维空间的反射定律,并应用于三维空间反射光线位置的计算。

大口径空间反射镜大容差支撑结构设计与优化

针对传统反射镜无法消除加工及装配应力,长期使用后面形精度下降不能满足使用要求的问题,提出了一种高稳定性空间反射镜支撑结构的解决方案,进行了具有大容差特性的1.5m口径高精度空间反射镜工程化研究和创制。依据经验和理论,完成了初始反射镜组件构型,反射镜的材料选用RB-SiC,采用三角形背部半开口反射镜轻量化形式和背部三点膜片型柔性支撑结构。以装配误差0.01mm的9种工况下反射镜的面形RMS变化量最小为目标,利用isight软件对反射镜支撑结构的主要尺寸进行了优化设计。最终完成了轻量化率为82.1%,组件质量为170.23kg的反射镜的研制。试验结果表明:反射镜在1 g重力作用下,面形精度RMS优于0.016λ(λ=632.8nm);加入0.02mm强迫位移模拟装配误差,面形RMS仍然为0.016λ;在20℃±5℃温变环境下,面形RMS变化量在0.002λ范围内;组件一阶固有频率为101.3Hz。反射镜组件静态刚度、动态刚度、面形精度以及环境适应性满足空间工程应用要求。

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ(λ=632.8 nm)的高精度要求,为模拟在轨失重状态,降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响,对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先,在反射镜分区的基础上,提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则;随后,建立反射镜的有限元模型,以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标,以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化,通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点,实现优化过程的简化;最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中,测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ,且面形分布较为一致,说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效,为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。

空间反射镜背部双脚架柔性支撑结构设计

为了满足空间反射镜温度适应性好、结构紧凑的要求,采用有限元分析方法,以超低膨胀系数玻璃空间反射镜(355mm)为支撑对象,设计了一种背部双脚架柔性支撑结构。首先研究了双脚架支撑的基本设计原则,从自由度角度分析了双脚架支撑结构相对背部3点支撑结构的优势。然后针对支撑结构尺寸参量、柔性铰链结构尺寸参量对面型精度的影响进行了仿真分析和优化设计,提出支撑脚延长线交点位置应作为背部双脚架支撑的关键设计参量,与粘接位置分别设计。结果表明,优化设计后的背部双脚架柔性支撑结构温度适应性好,能够有效卸载温度变化引入的附加载荷,同时具有较好的支撑效果和动态刚度;反射镜支撑后面形精度均方根值为3.68nm,组件的1阶频率达到123.41Hz,满足设计要求。该研究对未来背部双脚架支撑结构设计具有借鉴意义。