新型轻质大口径空间反射镜支撑设计

从空间反射镜主反射镜组件的轻质化设计入手,从结构材料的选择、主镜轻量化形式的确定以及支撑结构的合理设计三个角度系统地进行了一体化结构-热设计。针对某型卡塞格林系统Φ650 mm口径主镜进行了轻质化设计,三点为主多点为辅的支撑方案可在保持组件结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。综合考虑加工和工作状态后,最终确定了一种满足设计要求的整体优选方案。分析计算确认,主镜组件镜面综合面形误差PV值均<λ/10,各项指标完全满足光学系统对主反射镜的设计要求。

1.5m口径空间相机主镜组件的结构设计

研究了1.5m口径空间相机反射镜组件的结构,设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料,分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数,得到了重131.9kg,轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上,设计了主镜支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后,利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明:主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8nm),(20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内,主镜组件一阶固有频率为95.8Hz,有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。

离轴三反空间相机主三镜共基准一体化结构

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点,提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板,以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分,故降低了结构整体重量,提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测,结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ,均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试,测得一阶模态频率为48 Hz,对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz,满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中,通过分时对主镜和三镜进行加工,省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间,加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率,为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。

空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用

空间相机反射镜尺寸和质量对系统的光学性能、机械性能和热稳定性等具有重要影响,因此对其进行轻量化设计具有重要意义。文中从材料的选择、背部基体形状、轻量化孔形式、支撑方式对某空间大口径反射镜进行了详细的结构设计,采用理论论述与有限元分析相结合的方法,提出了一种背部开放式、三角形孔的轻量化结构形式,通过合理设计反射镜支撑点数目和位置,使反射镜组件在重力工况下,镜面面形精度达到成像质量要求,即PV值不大于63.2 nm。

大口径空间遥感相机主反射镜支撑设计

为降低外界载荷对空间遥感相机主反射镜面形精度的影响,提出了采用不同的柔性环节独立约束主反射镜自由度的设计思想。运用CAD工程分析软件进行主反射镜系统动、静态特性及热特性的仿真分析,并在此基础上对主反射镜系统中柔性环节的结构参数进行修正,在保证支撑刚度的前提下降低了重力、装配应力及温度应力对面形精度的影响。经检测,主反射镜面形精度PV值为/λ4,RMS值为λ/50,能够满足空间遥感相机对主反射镜的特殊要求。

空间相机1m口径反射镜组件结构设计

针对1m口径空间相机反射镜的设计要求,提出了一种新的反射镜柔性支撑结构。以材料选择、径厚比、支撑点数量和位置、轻量化结构形式等为设计变量,以自重作用下反射镜面形精度rms值为目标函数,优化设计了一种背部开口、三角形轻量化孔、背部三点支撑的SiC空间反射镜结构,同时提出了一种反射镜柔性支撑结构。对反射镜在光轴水平状态下进行装调检测时影响反射镜面形精度的柔性支撑结构参数进行了灵敏度分析,找到了影响反射镜面形精度的结构参数。对反射镜组件动、静态特性和热特性进行了有限元分析,分析结果表明,光轴水平方向重力载荷作用下反射镜面形精度rms达到5.6nm,4℃均匀温升工况下反射镜面形rms为2.7nm,反射镜组件一阶固有频率为192Hz。最后,进行了反射镜组件的动力学测试试验,测得反射镜组件一阶固有频率为197Hz,最大响应应力为181MPa,验证了有限元分析的准确性。得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求。

激光空间合束主镜优化设计与分析

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析,以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变,提高主镜面形精度。首先,对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点,从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式;然后,利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析,并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计;最后,对主镜进行重力、环境适应性和基频分析,验证设计的合理性。分析结果表明:6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下,随着辐照时间的增加,镜面温升值和P-V值逐渐增大;辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4℃,P-V值为155 nm,受镜体结构影响,辐照区内热畸变值不一致,差值约占镜面P-V值的1/6;为改善热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化达54.5%,辐照区热畸变一致性好,镜面热畸变量减小了近1/3;不同俯仰姿态下,主镜重力变形值基本相同,不足10 nm;环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移,稳态温差值越大,主镜面形P-V值和镜面平移量越大;模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。

空间相机中主镜的轻量化技术及其应用

对空间相机主镜的轻量化技术作了全面的总结和概括，阐述了主镜轻量化技术的一般考虑，总结了轻量化技术中主镜口径确定、材料选取、结构形式、基体形状、支撑方式、支撑装置的结构形式、热稳定措施及ＣＡＤ／ＣＡＥ应用。最后给出了主镜轻量化的典型应用实例，对其进行了光机热综合评估。

空间可展开光学系统主镜分块方案研究

未来的空间任务要求光学遥感器的口径越来越大,可展开光学系统是实现特大口径光学遥感器的主要技术途径之一,其主要特点是主镜分块、收拢发射、入轨展开,并且主镜超轻量化。文章分析了影响可展开光学系统主镜分块的因素,提出了主镜分块原则,在原则的指导下提出了约4m口径空间光学遥感器的主镜分块方案。

大口径空间反射镜组件结构设计与分析

设计了某1.2 m口径的空间光学反射镜结构及其支撑结构系统。首先,合理选取了反射镜及其支撑结构的材料。从反射镜镜坯制作工艺、力学特性、热特性以及反射镜重量等因素考虑,最终选取基于反应烧结SiC材料的背部半开放式扇形轻量化孔的反射镜结构形式,反射镜设计重量为87.6 kg,轻量化率达到79%。其次,确定了在光轴水平状态下进行检测装调的方案,并进行其支撑结构的设计,采用3个双轴柔性铰链从背部对反射镜支撑,使大口径反射镜同时满足静态刚度、动态刚度、强度和热尺寸稳定性的要求。最后,对反射镜进行了组件级有限元分析。结果表明,反射镜在X向重力和4℃均匀温升作用下面形RMS分别为7.8 nm和9.4 nm,反射镜组件一阶固有频率为153 Hz,满足设计指标要求。

Φ450mm口径空间天文相机轻量化碳化硅主反射镜组件设计

针对某空间天文相机对轻量化、光学效率、杂光抑制与探测能力的需求,设计Φ450 mm口径碳化硅主反射镜,镜体轻量化率超过70%;选取线膨胀系数匹配的殷钢材料,设计基于两脚架柔性结构的侧面支撑以消除装配应力和热应力,通过渗硅改性获取高反射率光学镜面。光学加工完成后反射镜质量7 kg,反射率优于98%。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密装配。光学检测结果表明,反射镜装配完成后面形误差优于0.02λRMS,与分析结果吻合。证明了空间天文相机主反射镜组件结构设计方案与装调工艺的合理性,满足空间天文相机光学设计要求。

空间机械臂可见光测量相机参数标定技术研究

空间机械臂可见光测量相机参数标定是制约空间合作目标三维位姿测量精度的关键技术和重要前提,它直观表征了视觉标记三维坐标与对应的二维图像坐标之间正确的映射函数。针对现有相机内外参标定方法操作步骤繁琐、积累误差大、标定精度低等工程问题,文章提出一种空间机械臂可见光测量相机内外参标定方法,引入高精度二维棋盘格标定靶与基准镜共同作为转换中介,且在相机有效观测视场内随意移动标定靶,分布式解算相机内参和外参。试验表明,相机内参离散度均不超过±0.3像元,角点重投影误差均不超过±0.5像元;外参六自由度分量标准差均不超过(0.6mm,0.05°)。上述标定方法具有较强的可操作性,极大简化了坐标转换计算复杂性,有效降低了标定过程中产生的积累误差,为机械臂实施视觉闭环自主捕获合作目标提供了可靠依据。

空间可展开主镜技术途径研究

可展开光学系统是实现特大口径光学遥感器的技术途径之一。可展开光学系统的主要特点是主镜分块、收拢发射、入轨展开,并且主镜超轻量化。文章主要介绍了实现可展开光学系统主镜的两种方法(超轻分块镜和超轻超薄分块镜),并对两者的实现难易程度进行了比较。

大口径主镜轻量化结构参数的优化设计

针对空间遥感器中大口径主镜的轻量化结构设计引入了基于Kriging近似模型的多目标遗传优化方法,以2 m口径SiC主镜为例对其轻量化结构参数进行了优化设计。采用拉丁超立方法对优化参数进行试验设计,建立了Kriging模型,并用多目标遗传算法迭代求得了最优解。优化后得到了质量为243 kg的2 m口径SiC主镜,其面形精度达到了25.7 nm PV,4.7 nm RMS,轻量化率为84%。试验结果验证了此优化设计方法的可行性,为大口径主镜的轻量化结构参数优化设计提供了借鉴和参考。

航空双波段相机胶粘主次镜柔性支撑结构设计

主次镜支撑结构设计是航空相机高质量成像的关键技术之一。基于反射镜支撑的刚度和面形精度的分析,对某航空双波段相机主次反射镜柔性结构进行了设计。提出了主镜周边柔性支撑配合胶粘的形式,使得反射镜组件对外部接点可以远离镜面,从而消除了反射镜安装镜框的装配应力对镜面面形的影响。由有限元分析软件,对主次镜的刚度和面形精度进行了分析,结合分析结果实现了对主次镜的优化,并验证分析了2 g^5 g加速度过载工况下的主次镜面形精度。分析结果表明,主次镜在施加重力和5℃均匀温升综合作用下优化后的面形精度达到PV<λ/10,RMS<λ/40(λ=632.8 nm),主镜组件一阶固有频率为241.7 Hz,均满足设计要求。

大口径主反射镜支撑结构设计

大口径空间反射镜支撑技术是空间相机研制中的关键技术之一。从保证反射镜组件刚度、强度和热尺寸稳定性的角度出发,对某型卡塞格林系统Φ980mm口径主反射镜支撑结构进行了设计。提出采用背部六点支撑,三点为主另外三点为辅的支撑方案,通过在支撑结构中设置柔性环节,从而解决了大口径主反射镜在自重作用下面形精度满足要求而在温变载荷作用下面形精度严重超差的问题。利用有限元分析软件进行了主镜组件的静、动态刚度及热尺寸稳定性分析,并在分析的基础上对支撑结构中的柔性环节结构参数进行修正,在保证支撑刚度的同时降低了重力、装配应力和热应力对面形精度的影响。分析和试验结果表明,主镜在重力和4℃均匀温升载荷下面形精度达到PV<λ/10,RMS<λ/50(λ=632.8nm),主镜组件一阶固有频率为116Hz,动力学环境下最大应力65MPa,各项指标完全满足光学系统对主反射镜的设计要求。

新型立体测绘光学系统杂散辐射分析与抑制

针对国家发明专利《基于集成式共用主镜的双视场立体成像光学系统》(发明专利号:ZL2009 1 0243273.8)中所设计的光学系统,进行了杂散辐射的仿真分析及抑制。为了实现较大基高比的立体测绘,满足内方位元素的高稳定度,以实现对图像的高精度校正,采用了集成式共用主镜的双视场立体成像光学系统,它具有结构紧凑、轻量化及热稳定性好等特点。针对该光学系统独特的光学系统结构型式并实现其工程化,通过仿真并根据杂散光的传播路径进行了分类总结分析,通过采取有效的杂散光抑制措施,光学系统最终的杂散光系数为1.1075%,满足系统的使用要求。

空间反射镜组件的环境适应性设计

为了保证空间反射镜具备优良的力学和热性能,在反射镜结构设计阶段对其进行结构尺寸稳定性分析至关重要。设计了某1 200 mm×450 mm口径长条形空间反射镜的轻量化结构,采用SiC材料制作反射镜镜坯,反射镜背部开三角形轻量化孔,提出一种背部3点柔性支撑方案,并设计了反射镜的支撑结构。通过对反射镜及其支撑结构在重力载荷和温度载荷工况下的变形分析,拟合出反射镜面的面形PV值、RMS值以及镜面的倾斜量,并依此作为修改设计方案的依据。分析结果表明,在X向重力作用下反射镜面形PV为51.9 nm,RMS为9.2 nm,反射镜绕Z轴倾角为2.9″;4℃均匀温升载荷作用下,反射镜面形PV为69.8 nm,RMS为12.4 nm;反射镜组件的基频为173 Hz,能够满足空间应用要求。

主反射镜轻量化工程分析计算

采用了空间遥感相机主反射镜背部打圆孔的轻量化方案，对轻量化主镜进行了ＣＡＤ实体模型构造及重量和轻量化率的计算，建立了轻量化主镜的有限元模型，进行了静力学和动力学分析和计算，并对轻量化和未轻量比的主镜的自振频率进行了比较。计算结果表明，主镜的轻量比设计满足技术要求，轻量化主镜的动态刚度、比刚度得到提高，轻量化率达３０％以上，并还有轻量化的余地。上述结果对主镜的改进设计有重要的意义。

空间相机用大口径圆形主反射镜设计

主镜是空间相机的主要成像部件,其面形误差和位置误差将会决定成像质量。设计了一种孔径为9660 IlllTI的圆形主镜组件。通过对比6点定位原理实现反射镜体的全约束,并经三点在背部支撑主镜,其中每点均为多层柔性结构。合理分配每点支撑的自由度及刚度,同时卸载温度变化时由于材料的线胀系数不同而传递到反射镜上的应力,使反射镜变形均匀。有限元分析结果表明,本文设计的主镜组件的面形误差RMS值达到1/50λ(λ=632.8 nm),一阶模态达到249 Hz,并具有良好的动态刚度。