SiC轻量化主镜液压whiffletree支撑系统的改进

针对2mSiC轻量化主镜设计了液压whiffletree被动支撑系统,通过在轴向液压支撑点处并联杠杆配重机构的方式,实现了不同支撑圈上轴向支撑力的优化分配,将轴向支撑下主镜的镜面变形RMS值从7.1nm优化到4.8nm。针对SiC主镜热膨胀率大的特性,提出了采用具有热解耦能力的切向连杆结合液压whiffletree的侧向支撑系统,并借助于有限元法预算出主镜光轴水平状态下侧向支撑引起的镜面变形误差RMS值为39.7nm。当温差为20℃时,轴向和侧向支撑结构作用下的主镜镜面变形误差RMS值仍保持在4.8nm,验证了侧向支撑良好的热解耦能力。

Whiffletree结构在主镜侧支撑中的应用研究

Whiffletree结构被广泛地应用在大口径望远镜主镜的底支撑中,但是目前在侧支撑中还没有采用Whiffletree结构的例子。首先探讨了在非薄弯月镜主镜中,采用Whiffletree结构进行侧支撑原理和方法,并结合一个实例,对Whiffletree侧支撑进行计算和设计,然后使用有限元软件MSC.Patran/Nastran进行了分析,最后得到镜面变形的RMS值为1.46nm,低于/40,证实该方案的可行性。

Whiffletree结构中的柔节设计

针对某空间遥感器大口径反射镜采用的复合支撑结构的定位、解耦和释放热应力需求,设计了一种空心圆柱切槽式的柔节。根据该柔节在支撑结构中的功能,采用传统材料力学公式和有限元仿真相结合的手段开展柔节结构件的设计。该柔节可以约束沿柔节轴向的自由度,释放垂直轴向的方向的自由度,该柔节结构简单,并且很实用。采用有限元和试验的方法,对柔节在设计载荷下沿轴向的变形量和径向的变形量进行了仿真和测试,沿轴向的变形量为0.002mm,沿径向的变形量为0.113mm,该柔节满足支撑结构的解耦要求。

Whiffletree支撑结构平衡性调节及测试方法

基于运动学原理的Whiffletree结构被广泛应用在大口径望远镜底支撑中。为了达到理想的支撑效果,保证主镜镜面面形精度,对Whiffletree结构的平衡性能提出了很高的要求。针对这一装调测试需求,结合Whiffletree结构的特点,提出了运用Load cell、千分表等仪器对Whiffletree结构的平衡性测试方案,并通过增减配重和调节配重高度的方法对Whiffletree结构的平衡性进行调节。首先对该装调测试方案进行了原理分析,然后使用该方案对某望远镜主镜底支撑所采用的Whiffletree结构的平衡性进行了调节和测试。测试结果表明,经调节后的结构各支撑点支撑力误差在±0.25 N范围内,满足±0.5 N的设计要求。该方法切实可行,对今后Whiffletree结构更好地应用在大口径望远镜的支撑中具有一定指导意义。

4m SiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力(β=0.5)支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8nm和82.9nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0nm和9.8nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30(λ=632.8nm)的指标要求。

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。

广义最小二乘法在主动光学模式定标中的应用

为了解除4 m轻量化反射镜支撑系统间存在的相互耦合作用,提出了采用广义最小二乘法进行主动光学的模式定标计算。首先,介绍了4 m轻量化反射镜的支撑系统,推导出液压Whiffletree支撑系统工作下主动光学校正力组满足解耦条件的等式约束方程,将节点面积加权因子修正后的Zernike多项式面形拟合过程作为有限元分析前处理,建立主动光学的响应矩阵。其次,采用广义最小二乘法求解同时满足等式和不等式约束下的最佳校正力组。最后,将提出的方法应用于重力印透效应产生的镜面变形主动力解算,分析不同阻尼因子对解算结果的影响。结果表明:阻尼因子取7.4e-9时,达到了满足约束条件的最佳校正效果,镜面面形均方根由最初的271.5 nm通过校正后变为8.3 nm。验证了广义最小二乘法应用于4 m轻量化反射镜主动光学校正力组解算的可行性。

主镜的新型轴向支撑及误差分析

针对传统Whiffletree机构存在刚性较差、自振频率和稳定性低的问题,提出了一种基于Whiffletree原理新型18点轴向支撑的设计方案。该方案采用高刚性和稳定性的消隙轴系机构。首先详细介绍了方案的设计原理,利用有限元软件对主镜轴向支撑进行优化设计,主镜最优面形的均方根(root mean square,RMS)值为1.6nm。然后采用D-H矩阵方法推导出轴向支撑的误差模型,与图解法相比,误差模型的最大误差为5.1%。最后利用误差模型建立极限位置误差的有限元模型,得到主镜面形的RMS值为2.6nm,分析结果满足设计指标所要求的RMS≤15.8nm。研究表明所提出的误差模型能够有效预测主镜面形,此方案设计合理。

超大口径弯月镜支撑点布局-刚度-校正力联合优化

在超大口径原位加工与检测中,目前多采用被动式Whiffletree液压支撑系统(原位支撑),而该类支撑单元的轴向刚度存在较大差异性,会显著影响轻薄型反射镜的面形精度。为解决这一问题,研究了主动型原位支撑的支点布局、单元刚度和主动校正力的联合优化方法。首先,针对支撑单元刚度差异,提出了支撑刚度、支点位置的分级布局优化方法,获得了支撑系统的初始优化解;其次,结合模式定标法和最小二乘法,进行了支撑点主动力校正,以获得支撑面形的最终优化解;最后,结合具体案例的数字仿真试验,验证了方法的有效性。结果表明:对于4 m弯月型轻薄反射镜,仅被动支撑下,分级布局优化后,60点方案面形精度RMS值由150.6 nm减少到32.9 nm,78点方案面形精度RMS值由45.2 nm减少到22.6 nm,优化效果显著;进一步经主动校正后,60点方案和78点方案面形精度RMS值分别为14.6 nm和6.9 nm,均满足面形精度RMS值小于λ/40(λ=632.8 nm)的指标要求;最终选取60点轴向支撑方案。通过对支点布局、支撑刚度和校正力进行联合优化,可以大幅增加原位支撑系统的适用性、灵活性,降低实施难度。