TMA空间相机性能稳定性的全状态分析与测试

光学系统波像差是空间相机的关键成像性能指标，其稳定性决定了成像质量的稳定性。针对大视场TMA空间相机研制过程和在轨成像时重力和温度变化状态，用有限元方法分析反射镜位置公差、面形等尺寸稳定性，结合反射镜的加工面形，计算光学系统波像差，分析成像性能稳定性的变化；采用实验室多方向重力（水平、悬挂、向上、向下等）和20±4°环境调温状态模拟测试，系统波像差平均在λ/14.7～λ/12.4之间，单个视场最低为λ/11。波像差的分析数据与测试结果趋势一致，各状态平均误差范围为-0.0126λ～0.0031λ，最大单点误差为-0.023λ；在不同状态下的传函复合测试结果都达0.21以上，相对变化小于-4.8%。该方法作为分析、验证系统成像稳定性有效便捷的手段，应用到大视场TMA空间相机的研制中，指导设计、分析薄弱环节，通过全状态的分析和测试，说明大视场TMA空间相机具有良好稳定的成像性能。

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。

离轴三反宽视场空间相机的辐射定标

离轴三反(TMA)光学系统是目前最先进的空间对地观测相机的光学系统。本文在分析离轴TMA宽视场空间相机成像机理的基础上,针对其光学系统光路和结构的特点,提出了分视场定标和利用特殊开口形状积分球的全视场定标两种方案,并采用两种定标方案分别对离轴TMA宽视场空间相机两个不同阶段的样机进行了实验室辐射定标,定标结果表明两种方案切实可行,满足该相机实验室辐射定标要求。通过对提出的两种实验室辐射定标方案优缺点的分析,得出两种定标方案不同的使用条件,结果显示两种定标方案的定标精度分别为1.68%和1.89%。

离轴三反空间相机调焦机构设计

空间相机受所处复杂运载环境(冲击、振动、过载)和空间运行环境(压力、温度、微重力)的影响易产生焦平面偏移。为提高成像质量,本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量。该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计,有效地提高了结构强度、刚度和可靠性,从而保证了调焦精度。介绍了其结构和工作原理,描述了相应的可靠性设计措施,最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试。试验结果表明:该调焦机构具备良好的自锁特性,其直线运动精度优于±2μm,重复定位精度优于±1μm;调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5″,满足用户提出的精度要求。

空间同轴三反相机前镜身结构设计与验证

空间同轴三反相机前镜身结构支撑相机的主、次镜,影响相机的成像性能和稳定性,是光学系统的敏感环节.针对长焦距空间同轴三反相机光学系统,为了获得刚性好、温度稳定性好的前镜身结构,本文从殷钢、碳纤维这二种低膨胀系数、高刚度的结构材料进行了优选,通过有限元分析比较,选择力学特性更好、重量更轻的碳纤维复合材料;通过力学特性和光学特性对前镜身构件三杆或四杆结构形式中进行了选择,优选了三杆结构形式;最终方案为碳纤维复合材料材薄壁筒和钛合金三支杆构成前镜身光机结构,采用遗传算法优化结合有限元分析计算对前镜身构件中的次镜连接杆结构进行了尺寸优化,使其重量减轻43%,一阶频率提高14%,热变形减小26%,满足了设计要求.通过对产品实物进行力学试验、尺寸稳定性真空稳定性试验和温度稳定性试验,测试了相机前镜身结构的各项性能,验证了前镜身结构工程设计的正确性.

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。

离轴三反空间相机与卫星平台的优化连接方式

对于与卫星平台卧式安装的长焦距离轴三反空间相机,由于地面与在轨状态环境条件不同引起平台接口与相机产生温度差,导致相机视轴漂移影响成像质量。为解决此问题,提出了将柔性连接座、刚性连接座和可解锁连接座配合应用的优化连接方式,实现了相机与平台在轨状态3点静定柔性连接,并在运载阶段利用可解锁连接座提高相机基频。利用有限元方法对优化连接方式进行验证,平台接口温度降低15℃引起次镜角度变化为9.62″(安装位置跨距1.2 m),满足光学设计要求;同时运载阶段相机在X、Y、Z三方向频率响应基频分别为120 Hz、120 Hz、110 Hz,与全刚性连接情况相比无明显降低。利用试验工装模拟平台进行温度变化替代试验,平台在温度提高15℃情况下,试验结果与仿真结果相符,且次镜转角实测值与仿真结果最大误差为9%。试验结果说明优化连接方式解决了卫星平台与相机在轨状态温度差引起的视轴漂移的问题,提高了相机的在轨环境适应性。

空间相机离轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、小型化、轻量化、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,通过对非球面反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,在共轴三反射式光学系统的基础上,提出了一种离轴三反射式红外光学系统的设计方法。利用ZEMAX求解并优化,设计一个焦距f=1000 mm,视场角为4,D/f=1/4的反射式离轴光学系统。使该系统在50 lp/mm空间频率处传函达到0.3以上,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在10 m以内,满足空间照相机的需要。该系统克服了共轴三反存在中心遮挡的问题,提高了系统的像质。

空间三反相机调焦范围的确定

为了提高空间相机对温度的适应能力,改善相机成像质量,研究了如何通过调焦放宽相机的热控指标,降低相机热控难度的问题。推导出了纯反射离轴三反光学系统中后截距及相机受温度影响下焦面离焦的数学公式;分析证明了相机离焦量与温度变化是线性关系,并计算得到了常数项K值。计算显示,当反射镜材料的线胀系数与相机支撑框架材料线胀系数一致时,焦面不产生离焦;而两种材料线胀系数差距越大,离焦量就越大。利用离焦传递函数公式证明了当相机温度水平变化超过±1℃时(对应离焦量0.05mm),就必须采用机械调焦的方法对其加以补偿;利用光机热集成仿真的方法,得出保证相机成像质量的温度范围Δt,完成了从光学指标到温度指标的转换。利用离焦公式,得出了相机的调焦范围。最后,在热真空环境下试验验证了上述焦面离焦的数学公式及相机温度水平变化±4℃时离焦量为±0.184mm是相机合适的调焦范围。

离轴三反空间相机的焦距测量

离轴三反光学系统的焦距是空间相机的重要指标之一,离轴三反空间相机在完成光学系统装调及光学镜头装配后需要进行焦距测量。通过对两种经典的焦距测量方法即放大率法和测角法进行对比分析,选用测角法作为焦距的测量方法,同时对用于同轴光学系统的焦距测量公式增加离轴角修正量使其适用于离轴三反光学系统,并以某离轴三反空间相机为例论述焦距测量方法及步骤。由修正后的焦距计算公式计算出相机的焦距为8 010mm,证实了该测量方法的可行性。

空间卫星相机安装固定基频性能优化设计

某空间卫星相机在多次迭代优化后基频仍然未满足技术要求,为解决相机整机基频偏低,易与卫星平台发生共振的问题,提出了更改相机安装固定位置为整机Z向质心平面处的解决方法。首先建立空间相机振动模型,通过对底部和中部两种安装结构等效模型的理论计算,找到提高相机基频的方法;其次,进行有限元仿真确定提高整机基频的理想位置,并根据仿真分析结果,优化设计了相机Z向中心平面处和Z向质心平面处两种安装方案;最后,采用有限元分析软件MSC/Patran对两种安装方案进行仿真分析对比。经分析确定,质心平面处安装方案基频较高,同时反射镜精度仍满足设计要求,整机重量相比初始设计有所下降。结果表明,提出的质心平面处安装方案提髙了整机基频,保持了反射镜精度,同时还部分降低了整机的重量,证明了结构设计和理论分析的合理性。

空间相机支撑结构选型动力学分析

在航天遥感领域,离轴三反射镜消像散光学系统(TMA)以大视场、无遮拦等特点被广泛运用。由于离轴TMA系统的特点以及空间相机在发射过程中经历的恶劣的力学环境,相机支撑结构的力学特性对于相机成像品质的保证具有至关重要的意义。文章用Solidworks建立了支撑结构的实体模型,并在此基础上建立了有限元模型。通过对4种结构构型方案的力学特性的分析比较,为相机光机结构设计打下了基础,对三反离轴相机支撑结构的工程设计具有一定的指导作用。